Il est bien connu que les particules inertielles dans un écoulement périodique ont tendance à se focaliser sur des trajectoires privilégiées. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'influence de cette focalisation sur le transport et la sédimentation de particules dans une fracture plane à rugosité périodique. Tout d'abord, un écoulement monophasique dans une fracture est analysé asymptotiquement dans le cas de faible rugosité. Les résultats classiques de la théorie de la lubrification inertielle sont généralisés au cas de fractures avec des parois asymétriques. Les corrections non linéaires à la loi de Darcy sont calculées explicitement en fonction des facteurs géométriques de la fracture. Le transport de particules dans une fracture horizontal est étudié asymptotiquement dans le cas de particules de faible inertie. Les particules se focalisent sur une trajectoire attractrice, si le débit d'écoulement est assez fort par rapport à la gravité. Un diagramme complet de focalisation a été obtenu, qui prédit l'existence de l'attracteur en fonction du nombre de Froude et des facteurs géométriques de la fracture. Les paramètres quantitatifs du transport ont été calculés également. L'influence de la force de portance sur la migration de particules a été étudiée également. Dans un canal vertical, la portance (provoquée par la gravité) modifie le nombre d'attracteurs et leurs positions. En absence de gravité, la portance peut provoquer une dynamique chaotique des particules. En outre, le captage des particules par une paire de tourbillons a été étudié. Le diagramme d'accumulation obtenu démontre que toute paire de tourbillons peut être un piège à particules.

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées. Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire.

Ce travail de thèse fait partie intégrante de l’ANR PLAYER (début janvier 2012), projet visant à étendre les simulations d'écoulements gaz-particules à des particules non-sphériques ayant une inertie couvrant une large gamme. Les avancées de cette ANR portent notamment sur la détermination des forces et couples élémentaires sur de tels objets avec la question du nombre de degrés de liberté supplémentaires à prendre en compte, l'impact de la forme et de l’effet d'inertie ainsi que l’influence d’une force extérieure telle que la gravité sur les interactions particule-turbulence. Dans ce cadre, l’objectif de ce travail de thèse est d'étudier finement la dispersion de particules non-sphériques rigides dans un écoulement turbulent à l’échelle mésocospique (il est supposé que les particules sont des points matériels). Pour ce faire, un suivi lagrangien de particules ellipsoïdales couplé à un code de simulation numérique directe d’un écoulement turbulent de canal a été utilisé. Cette méthode nécessite alors une bonne estimation des forces et couples hydrodynamiques agissant sur ce type de particules, ainsi qu’un couplage des équations du mouvement de translation et de rotation. En se basant sur les résultats obtenus par une simulation numérique directe résolue à l’échelle de la particule (Ansys Fluent, body-fitted method), nous avons établi, dans un premier temps, des corrélations pour les coefficients hydrodynamiques (traînée, portance, couple de tangage) dépendant du nombre de Reynolds particulaire, de la forme, et de l'orientation des particules. L’originalité de ce travail réside en la validité de ces corrélations pour des gammes étendues de facteurs de forme (rapport entre la longueur et la largeur de la particule w ∈ [0,2-32] et de Reynolds particulaires Rep ∈ [1-240]. Ces corrélations ainsi que les équations du mouvement de rotation ont été ensuite intégrées dans le code « maison » de simulation numérique directe d’un écoulement turbulent gaz-solide à l’échelle mésocospique. Après avoir validé ce code à travers différents cas tests, nous avons étudié la dispersion de différentes particules ellipsoïdales dans un écoulement de canal turbulent pour un nombre de Reynolds modéré. Trois principaux effets sont à l’étude : l’effet de forme, l'effet d'inertie et l'effet du croisement de trajectoires. / The present work is a part of a program research ANR PLAYER (started from January 2012), the aim of the project is to extend the simulations of gaz-particles flow to the non-spherical particles with a large range of inertia. The main objectives of this project consist, firstly, on the founding of hydrodynamic forces and torques occurring on these non-spherical particles. As results, we focus on the additional degrees of freedom that must be considered, shape effects and effects of inertia. Secondly, we are interested on the study of particle-turbulence interaction and particle-particle interaction. The aim of this Phd thesis consists on the studying of the dispersion of solide non-spherical particles in turbulent channel flow at mesoscopic scale. In order to achieve this work, we considered a one way coupling and we used a technique of Particles Lagrangian Tracking coupled with a Direct Numerical Simulation of the turbulent channel flow (DNS/PLT). This technique requires a well prediction of hydrodynamic forces and torques occurring on each particle. In addition, this technique requires a coupling of translational and rotational motions. Firstly, a Direct Numerical Simulation is used with a body-fitted method in CFD code Ansys-Fluent to simulate flow around ellipsoids. Based on the obtained results, models of correlation for hydrodynamic coeffients (drag, lift and torque) are proposed. The major results of this part is the accuracy models for a large ranges of particles Reynolds number, aspect ratio and orientations. Indeed these models take the particle Reynolds number Rep ∈ [1-240], the shape (aspect ratio w ∈ [0.2-32]) and the orientation of the particle into account. Secondly, these models of correlation as well as translational and rotational motions are implemented in the in-house DNS code. After a rigorous validation of the code using a different test cases, simulations of dispersion of ellipsoidals particles in a tubulent channel flow is performed for a moderate Reynolds number. Three main effects are investigated in this study: shape effect, inertial effect and the “effect of crossing trajectories”.

Il est bien connu que les particules inertielles dans un écoulement périodique ont tendance à se focaliser sur des trajectoires privilégiées. Le but de ce travail de thèse est d'étudier l'influence de cette focalisation sur le transport et la sédimentation de particules dans une fracture plane à rugosité périodique. Tout d'abord, un écoulement monophasique dans une fracture est analysé asymptotiquement dans le cas de faible rugosité. Les résultats classiques de la théorie de la lubrification inertielle sont généralisés au cas de fractures avec des parois asymétriques. Les corrections non linéaires à la loi de Darcy sont calculées explicitement en fonction des facteurs géométriques de la fracture. Le transport de particules dans une fracture horizontal est étudié asymptotiquement dans le cas de particules de faible inertie. Les particules se focalisent sur une trajectoire attractrice, si le débit d'écoulement est assez fort par rapport à la gravité. Un diagramme complet de focalisation a été obtenu, qui prédit l'existence de l'attracteur en fonction du nombre de Froude et des facteurs géométriques de la fracture. Les paramètres quantitatifs du transport ont été calculés également. L'influence de la force de portance sur la migration de particules a été étudiée également. Dans un canal vertical, la portance (provoquée par la gravité) modifie le nombre d'attracteurs et leurs positions. En absence de gravité, la portance peut provoquer une dynamique chaotique des particules. En outre, le captage des particules par une paire de tourbillons a été étudié. Le diagramme d'accumulation obtenu démontre que toute paire de tourbillons peut être un piège à particules / It is well-known that inertial particles tend to focus on preferential trajectories in periodic flows. The goal of this thesis was to study the joint effect of particle focusing and sedimentation on their transport through a model 2D fracture with a periodic corrugation. First, single-phase flow though the fracture has been considered: the classical results of the inertial lubrication theory are revisited in order to include asymmetric fracture geometries. Cubic corrections to Darcy's law have been found analytically and expressed in terms of two geometric factors, describing channel geometry. For weakly-inertial particles in a horizontal channel it has been shown that, when inertia is strong enough to balance out the gravity forces, particles focus to some attracting trajectory inside the channel. The full trapping diagram is obtained, that predicts the existence of such attracting trajectory regime depending on the Froude number and on geometric factors. Numerical simulations confirm the asymptotic results for particles with small response times. The influence of the lift force on particle migration has also been studied. In a vertical channel the lift is induced by gravity and leads to complex trapping diagrams. In the absence of gravity the lift is caused by inertial lead/lag of particles and can lead to chaotic particle dynamics. Finally, for dust particles in a vortex pair it has been shown that particles can be trapped into one or two equilibrium points in a reference frame rotating with the vortices. A full trapping diagram has been obtained, showing that any pair of vortices can trap particles, independently of their strength ratio and the direction of rotation

Cette thèse présente une étude expérimentale et numérique des forces s'exerçant sur un objet en mouvement dans un milieu granulaire. La compréhension précise de ces forces présente en effet d'importants intérêts fondamentaux (rhéologie des milieux granulaires, phénomène de ségrégation) et appliqués (robotique, locomotion animale ...). Expérimentalement, un cylindre horizontal est mis en rotation à faible vitesse dans un bac de billes de verre. Les forces s'exerçant sur cet objet dans la direction du mouvement (forces de traînée) et dans la direction verticale (forces de portance) sont mesurées.Lors du premier demi-tour, avant que le cylindre ne repasse dans son propre sillage, nous mettons en évidence l'existence d'une force de portance élevée sur l'objet (bien qu'il soit symétrique), de l'ordre de 20 fois la poussée d'Archimède du milieu, et indépendante de la profondeur. Des études numériques de dynamique moléculaire (méthode éléments discrets) permettent de comprendre comment cette portance émerge de la modification de l'écoulement granulaire par la présence d'un gradient de pression dans le milieu. Aux temps longs, après plusieurs rotations du cylindre, on observe une chute de la force de traînée, qui devient indépendante de la profondeur. Le milieu se structure sous l'effet des passages répétés du cylindre dans son sillage, ce qui écrante le poids des grains situés au dessus. Enfin, une étude numérique des forces sur une grosse particule en écoulement avec le milieu granulaire est ébauchée, en lien avec le phénomène de ségrégation granulaire. / This thesis presents an experimental and numerical study of the forces experienced by an object moving in granular media. This problem, which is of practical importance in many applications (robots, animal locomotion), is also of fundamental interest (rheology of granular materials, granular segregation). The experiment consists in a horizontal cylinder rotating around the vertical axis in glass beads. Both drag forces and lift forces experienced by the cylinder are measured.During the first half rotation, before the cylinder crosses its own wake, we measure a strong lift force (despite the symmetry of the object), about 20 times the buoyancy of the cylinder, and independent of its depth. Molecular dynamic simulations (Discrete Element Method) shed lights on how this lift force arises from the modification of the grain flow due to the pressure gradient in the medium. After several rotations, when the cylinder goes through its own wake, the drag force drops and becomes independent of depth. The rotation of the cylinder induces a structure in the granular packing, which screens the weight of the grains above it. Finally, a numerical study of forces on a large particle flowing with the granular medium is sketched, in relation with the phenomenon of granular segregation.

Cette thèse concerne l’aérodynamique de pales d'extrémité transsonique. Ces pales sont conçues pour maximiser le rendement en croisière, tout en générant la traction requise au décollage. Elles ont des profils fins et peu cambrés, travaillant à forte incidence au décollage, ce qui peut entraîner l’apparition d’un tourbillon de bord d’attaque (TBA). Or ce TBA présente des similitudes avec les tourbillons d’apex d’aile Delta, connus pour leur capacité à générer de la portance tourbillonnaire.Cette étude consiste à examiner l’intérêt du TBA pour les performances aérodynamiques.La démarche a consisté dans un premier temps à caractériser la topologie du TBA sur une maquette représentative d’une pale d’ Open Rotor, à l'aide d'essais PIV résolus en temps et de calculs RANS k-omega SST, et à évaluer la capacité de la simulation RANS à reproduire les caractéristiques d’intérêt pour cette étude. Un algorithme a été développé afin d'estimer la contribution de ce TBA à la portance à partir du champ de pression pariétal RANS.Afin d'expliciter l'influence des paramètres géométriques et de fonctionnement de la pale sur la portance tourbillonnaire, un modèle 1D de la portance tourbillonnaire a été développé puis couplé à la méthode de l'élément de pale.Les premières comparaison de géométries à iso-traction ont montré que la portance tourbillonnaire permet de générer la traction requise au décollage avec une surface alaire plus faible. Ces résultats ouvrent de nouvelles perspectives pour la conception de géométries avec un meilleur rendement en croisière. / This thesis deals with the aerodynamic properties of propeller blades. Those blades are designed to maximise cruise efficiency, while achieving the target thrust at take-off. Their thin, low-cambered profiles must work at high incidence at take-off, which may give rise to a leading-edge vortex (LEV).The topology of this LEV looks similar to Delta wing LEVs, which are known to generate vortex lift.the aim of this study is to explore the probable impact of the LEV on lift at take-off in order to reconsider propeller blade designs. The approach first consisted in caracterising the LEV topology on a model blade representative of an Open Rotor front blade, using both Time-Resolved PIV and RANS k-omega SST calculations. The comparison between both methods demonstrated the ability of RANS calculations to reproduce the LEV characteristics of interest to this study.Then, the LEV contribution to lift was evaluated thanks to an algorithm developed to estimate vortex lift contribution from RANS wall pressure fields.In order to explicit the influence of the blade's geometrical and functioning parameters on vortex lift, a 1D vortex lift model was developed and coupled to the Blade Element Momentum Theory.The first blade geometry comparative studies at iso-thrust showed that vortex lift enables to generate target thrust at take-off with a lower blade surface. This opens new perspectives for the design of blade geometries with enhanced cruise efficiency.

Les latérites sont les sols les plus utilisés dans les travaux de génie civil, plus particulièrement en construction routière dans la plupart des pays de la zone intertropicale. Ce sont des sols résiduels ou détritiques provenant de l’altération des roches préexistantes. Ces sols contiennent en quantité appréciable des oxydes de fer et d’aluminium, de la kaolinite et de la silice, mais de faibles quantités d’oxydes de titane, de manganèse, de magnésium, …, etc. La grande diversité des composés chimiques des latérites rend leur caractérisation malaisée. En outre, les documents normatifs et les guides techniques utilisés pour le dimensionnement des chaussées en Afrique subsaharienne pour la plupart inadaptés, ne prennent pas en compte la spécificité des conditions climatiques et environnementales des formations latéritiques dans les projets routiers. Une caractérisation interdisciplinaire de ces sols avec la prise en compte des facteurs intervenant dans le processus de latéritisation permettrait de déterminer des propriétés plus précises, plus pertinentes et beaucoup plus représentatives. Ce travail a pour vocation la caractérisation et la détermination de l’aptitude des sols latéritiques du sud-ouest du Niger. La zone concernée par l’étude comporte sept gisements latéritiques aux contextes géologiques forts différents les uns des autres. Notre étude, basée sur diverses approches a permis de déterminer les propriétés géotechniques et mécaniques des sols d’une part et les propriétés chimiques et minéralogiques d’autre part. À l’issue de l’étude, deux catégories de sols sont à distinguer : [1] les sols de bonne portance : d’indice CBR de l’ordre de 100 contiennent en moyenne une teneur en fines n’excédant pas 12% et un indice de plasticité inférieur à 15. Pour ces sols, la portance dépend beaucoup de la taille des particules. Ces derniers ont une résistance élevée au cisaillement et un angle de frottement interne effectif φ’ de l’ordre de 40° ainsi qu’une cohésion effective c’ supérieure à 10 kPa. Leur comportement est dilatant au cours du cisaillement. Ils présentent de faibles valeurs en indice de vide et en perméabilité. De même, leur amplitude de tassement est faible. La bonne portance de ces sols se justifie principalement par leur teneur appréciable en oxydes de fer. L’attaque de la matrice fine par ces derniers se fait de manière diffuse ou par concrétionnement sous forme de cercles d’oolithes et de pisolithes ovoïdes tangents. [2] les sols de faible portance : la fraction fine et l’indice de plasticité sont élevés, respectivement de l’ordre de 25 et 30. La portance est de l’ordre de 30, l’angle de frottement interne inférieur à 30° et la cohésion inférieure à 5 kPa. Ces sols résistent faiblement au cisaillement et leur comportement est contractant, c’est-à-dire celui d’un sable lâche. Ils sont plus compressibles, encore moins perméables avec un coefficient de gonflement élevé. La faible portance de ces sols est imputable à leur faible teneur en oxydes de fer, ainsi que le mode d’attaque qui se fait de manière isolée.L’amélioration des sols présentant une faible portance a été expérimentée en y rajoutant séparément une certaine teneur en liant hydraulique (ciment), en chaux (CaO) et en nodules latéritiques. Les analyses minéralogiques et chimiques ont montré que l’ajout des produits a conduit à une modification texturale et a favorisé la mise en place de composés chimiques néo-synthétisés ayant pour rôle principal de renforcer les liaisons entre les éléments minéraux contenus dans les échantillons de sol latéritique. Dans la plupart des cas, les échantillons améliorés ont présenté une bonne portance validant ainsi leur aptitude en construction routière. / Laterites are the most commonly used soils in civil engineering works, particularly in road construction in most countries of intertropical region. These are residual or detrital soils resulting from the alteration of pre-existing rocks. These soils contain a considerable quantity of iron and aluminum oxides, kaolinite and silica, but small quantities of titanium oxides, manganese, magnesium, etc. The large diversity of the chemical compounds of laterites makes their characterization difficult. Moreover, specification documents and technical guides used for road design in sub-saharan Africa, most of them unsuitable, do not take into account the specificity of climatic and environmental conditions of laterite formations in road projects. An interdisciplinary characterization of these soils, taking into account the factors involved in the lateritization process, should make it possible to be determined more precisely. It’s also the best way to get more relevant and much more representative properties. The aim of this work is to characterize and determine the lateritic soils suitability of southwestern Niger in road construction. The area covered by the study consists of seven lateritic deposits with strong geological different contexts from one to another. Our study, based on various approaches, made it possible to determine the geotechnical and mechanical properties of the soils on the one hand and the chemical and mineralogical properties on the other hand. At the end of the study, two categories of soils are to be distinguished: [1] soils with good bearing capacity : CBR of around 100 contain average fines content not exceeding 12% and a plasticity index less than 15. For these soils, the bearing capcity depends very much on the size of the particles. They have a high shear strength, an effective internal friction angle φ' of the order of 40° and an effective cohesion c' greater than 10 kPa. Their behavior is dilatant during shear. They have low values in void ratio and in index permeability. Similarly, their amplitude of settlement is low. The good bearing capacity of these soils is mainly justified by their appreciable iron oxides content. The attack of the microstructure by the latter is done in diffuse way or by concretionary circles of oolites. [2] the soils of low bearing capacity : the fine fraction and the plasticity index are high respectively of the order of 25 and 30. The bearing capacity is around 30, the internal friction angle is less than 30° and the cohesion less than 5 kPa. These soils are weak to the shear and their behavior is contracting (loose sand behavior). They are more compressible and less permeable with a high swelling coefficient. The low bearing capacity of these soils is attributable to their low iron oxide content and to the mode of attack which is carried out in isolated way.The improvement of soils with low bearing capacity has been tested separately by adding a certain amount of hydraulic binder (cement), lime (CaO) and lateritic nodules. Mineralogical and chemical analyzes showed that the addition of the products led to a textural modification and favored the production of neo-synthesized chemical compounds whose main role was to strengthen the links between the mineral elements contained in the lateritic samples. In most cases, the improved samples showed good bearing capacity and validated their road pavement suitability.

Cette thèse expérimentale s’inscrit dans le domaine des sciences séparatives et se base sur la technique de SPLITT (SPLIT-flow Thin fractionation). Son objectif consiste en l’étude des mécanismes qui sont à l’origine de la séparation, en continu et sans membrane, d’objets de taille micrométrique dans des mini-séparateurs fluidiques (Step-SPLITT). Les expériences menées, en laboratoire et lors de vols paraboliques, ont révélé le couplage complexe comme l’influence des effets hydrodynamiques et du champ gravitationnel sur la migration transverse des espèces en écoulement. Des visualisations tridimensionnelles par holographie digitale ont corroboré nos résultats et dévoilé des comportements inattendus. Les capacités séparatives des Step-SPLITT ont rendu possible l’analyse et la séparation d’objets biologiques et biomimétiques. Enfin, cette étude complétée par une modélisation tridimensionnelle de l’écoulement nous a permis de mettre au point un nouveau prototype de séparateur. This experimental thesis belongs to the field of separative sciences and is based on the SPLITT technique (SPLIT-flow Thin fractionation). The objective is to study the mechanisms that are at the origin of continuous and membraneless separation of micron-size species in mini fluidic separators (Step-SPLITT). Experiments undertaken in laboratory and during parabolic flights revealed the complex coupling of the hydrodynamic effects and the gravitational field influencing the transverse migration of the flowing species. Three-dimensional visualizations performed by digital holography confirmed our results and disclosed unexpected behaviours. The separation capacities of Step-SPLITT made the analysis and the separation of biological and biomimetic species possible. In addition this study in conjunction with a three-dimensional flow modelling enabled us to develop a new prototype of separator.

Cette thèse expérimentale s’inscrit dans le domaine des sciences séparatives et se base sur la technique de SPLITT (SPLIT-flow Thin fractionation). Son objectif consiste en l’étude des mécanismes qui sont à l’origine de la séparation, en continu et sans membrane, d’objets de taille micrométrique dans des mini-séparateurs fluidiques (Step-SPLITT). Les expériences menées, en laboratoire et lors de vols paraboliques, ont révélé le couplage complexe comme l’influence des effets hydrodynamiques et du champ gravitationnel sur la migration transverse des espèces en écoulement. Des visualisations tridimensionnelles par holographie digitale ont corroboré nos résultats et dévoilé des comportements inattendus. Les capacités séparatives des Step-SPLITT ont rendu possible l’analyse et la séparation d’objets biologiques et biomimétiques. Enfin, cette étude complétée par une modélisation tridimensionnelle de l’écoulement nous a permis de mettre au point un nouveau prototype de séparateur.<p><p>This experimental thesis belongs to the field of separative sciences and is based on the SPLITT technique (SPLIT-flow Thin fractionation). The objective is to study the mechanisms that are at the origin of continuous and membraneless separation of micron-size species in mini fluidic separators (Step-SPLITT). Experiments undertaken in laboratory and during parabolic flights revealed the complex coupling of the hydrodynamic effects and the gravitational field influencing the transverse migration of the flowing species. Three-dimensional visualizations performed by digital holography confirmed our results and disclosed unexpected behaviours. The separation capacities of Step-SPLITT made the analysis and the separation of biological and biomimetic species possible. In addition this study in conjunction with a three-dimensional flow modelling enabled us to develop a new prototype of separator. / Doctorat en sciences appliquées / info:eu-repo/semantics/nonPublished