Thèse de doctorat : Mécanique. Mécanique des Fluides : Strasbourg 1 : 2008. / Thèse soutenue sur un ensemble de travaux. Titre provenant de l'écran-titre. Notes bibliogr.

En utilisant une approche principalement expérimentale, cette thèse de doctorat étudie les écoulements de déplacement miscibles flottants dans les tuyaux à rotation axiale, un sujet fondamental de la mécanique des fluides qui est également motivé par le processus de cimentation dans les constructions de puits de pétrole et de gaz. Une partie du processus de cimentation consiste à pomper un fluide lourd dans un tuyau pour éliminer/déplacer un fluide léger in situ. Nous émettons l’hypothèse qu’une rotation axiale du tuyau peut être utilisée pour améliorer le processus de déplacement, bien que sans résultats expérimentaux en laboratoire pour soutenir cette croyance. Dans ce contexte, ce travail analyse systématiquement les effets d’une rotation axiale du tuyau sur les flux de déplacement miscibles flottants en présence de la différence de densité (flottabilité), de l’angle d’inclinaison du tuyau, de la vitesse d’écoulement imposée et de la contrainte de déformation plastique du fluide déplacé. Le chapitre 1 étudie les effets de la rotation axiale du tuyau sur nos écoulements flottants en l’absence de la vitesse d’écoulement imposée (c’est-à-dire une configuration d’écoulement d’échange). Les deux fluides considérés sont iso-visqueux et newtoniens, mais ils ont une petite différence de densité. Les angles d’inclinaison des tuyaux intermédiaires sont pris en compte. Comme les deux fluides s’interpénètrent, notre objectif est de quantifier les effets de la vitesse de rotation des tuyaux sur la dynamique du front d’interpénétration, pour lesquels plusieurs corrélations empiriques sont proposées. Il s’agit notamment des corrélations pour la vitesse du front, la longueur de propagation du front et le temps de propagation du front. Les deux derniers concernent la situation où l’interpénétration des fluides s’arrête finalement lorsque la vitesse de rotation du tuyau devient importante. Le chapitre 2 étend les résultats du flux d’échange flottant du chapitre 1 à une configuration de flux de déplacement où il existe un flux imposé. Les deux fluides sont newtoniens. Un front d’attaque et un front de fuite sont observés dans le flux de déplacement. Fait intéressant, le mouvement du front arrière est fortement affecté par la vitesse de rotation. Ici, l’accent est mis sur la quantification des effets de la vitesse de rotation du tuyau sur les vitesses frontales avant et arrière. Le signe de la vitesse du front de fuite aide à classer les régimes d’écoulement en régimes d’élimination inefficaces et efficaces, pour lesquels la transition peut être justifiée en utilisant un équilibre entre l’inertie imposée, la flottabilité et les forces de rotation. iii En considérant une contrainte de déformation plastique dans le fluide déplacé, le chapitre 3 ajoute un autre paramètre à notre système d’écoulement. Ici, le déplacement d’un fluide viscoplastique (un gel de Carbopol) par un fluide newtonien dans des tuyaux à rotation axiale est étudié. Les comportements d’écoulement en termes de dynamique du front et de schémas d’écoulement sont considérés. Les effets de la rotation des tuyaux sur les vitesses frontales avant et arrière sont quantifiés. Enfin, les déplacements viscoplastiques sont comparés qualitativement et quantitativement à leurs homologues newtoniens, montrant que la contrainte de déformation plastique a un effet négligeable sur la classification du régime. / Through a mainly experimental approach, this Ph.D. thesis studies buoyant miscible displacement flows in axially rotating pipes, a fundamental fluid mechanics topic that is also motivated by the cementing process in oil and gas well constructions. A part of the cementing process involves pumping a heavy fluid into a pipe to remove/displace an in-situ light fluid. It is believed that an axial rotation of the pipe can be used to enhance the displacement process, albeit without laboratory experimental results to support this belief. In this context, this work systematically analyzes the effects of an axial rotation of the pipe on buoyant miscible displacement flows in the presence of the density difference (buoyancy), the pipe inclination angle, the imposed flow velocity and the yield stress of the displaced fluid. Chapter 1 investigates the effects of the axial rotation of the pipe on buoyant flows in the absence of the imposed flow velocity (i.e. an exchange flow configuration). The two fluids considered are iso-viscous and Newtonian, but they have a small density difference. Intermediate pipe inclination angles are considered. As the two fluids interpenetrate, our focus is to quantify the effects of the pipe rotation speed on the interpenetration front dynamics, for which several empirical correlations are proposed. These include correlations for the front velocity, the front propagation length, and the front propagation time. The two latter concern the situation where the interpenetration of the fluids eventually stops as the pipe rotation speed becomes large. Chapter 2 extends the buoyant exchange flow results of Chapter 1 to a displacement flow configuration where there exists an imposed flow. The two fluids are Newtonian. A leading front and a trailing front are observed in the displacement flow. Interestingly, the motion of the trailing front is highly affected by the rotation speed. Here, the focus is on quantifying the effects of the pipe rotation speed on the leading and trailing front velocities. The sign of the trailing front velocity helps to classify the flow regimes into inefficient and efficient removal regimes. The transition of these two regimes can be justified using a balance among imposed inertia, buoyancy and rotational forces. By considering a yield stress in the displaced fluid, Chapter 3 adds another flow parameter to our flow system. Here, the displacement of a viscoplastic fluid (i.e. a Carbopol gel) by a Newtonian fluid in axially rotating pipes is studied. The flow behaviours in terms of the front v dynamics and flow patterns are considered. The effects of the pipe rotation on the leading and trailing front velocities are quantified. Finally, the viscoplastic displacements are qualitatively and quantitatively compared against their Newtonian counterparts, showing that the yield stress has a negligible effect on the regime classification.

Dans cette thèse est étudié le problème de la propagation des énergies vibratoire et acoustique dans les tuyaux. L'étude commence par la présentation de théories des coques générales en notation tensorielle. Les théories des coques cylindriques de Flügge et de Flügge-Timoshenko sont utilisées pour décrire le comportement vibratoire de la paroi du tuyau. La théorie de Flügge-Timoshenko inclut les effets de cisaillement et d'inertie de rotation. Le fluide à l'intérieur du tuyau est supposé acoustique et son comportement est modélisé par l'équation d'ondes dans le repère cylindrique. Le couplage entre la paroi et le fluide interne est pris en compte. Les ondes élastiques qui se propagent dans la paroi du tuyau et celles acoustiques dans le fluide interne parcourent le tuyau dans le sens axial sous forme d'ondes libres, évanescentes et atténuées. L'énergie nette totale transférée dans le tuyau est constitué de la contribution vibratoire et acoustique. Chaque contribution est due à l'interaction des ondes libres d'une part et à l'interaction des ondes évanescentes d'autre part. L'effet de l'interaction des ondes atténuées n'est pas un transfert d'énergie nette mais une formation d'ondes évanescentes stationnaires. En raison du couplage entre la paroi le fluide interne, le flux total d'énergie nette peut être exprimé en termes de déplacements de la paroi. Ceci permet le développement des techniques expérimentales pour déterminer le flux total par la mesure des grandeurs vibratoires sur la paroi. Les résultats des essais réalisés en laboratoire et sur la tuyauterie d'un compresseur frigorifique sont présentés

Dans un contexte de développement durable où les impacts sur les infrastructures doivent être fréquemment évalués, des procédures efficaces de contrôle et d’intervention sont requises. Bien que les solutions de réalité augmentée mobiles (RAM) présentent un fort potentiel pour améliorer l'efficacité d'intervention sur site par les professionnels, notamment dans le cas d’infrastructures souterraines, cette technologie n’est pas encore suffisamment mature pour permettre de telles applications. Reposant sur des principes similaires à la RAM, la simulation située propose une représentation virtuelle 3D congruente avec la réalité. L’immersion y est moins importante mais les interactions avec l’environnement 3D plus nombreuses. Le présent travail de recherche porte sur la conception et le développement d’une application de simulation située. Il aborde notamment les défis relatifs à la modélisation 3D d’environnement et à l’intégration de données géospatiales dans des moteurs de jeux vidéo. / In a context of sustainable development in which impacts on infrastructure should be assessed frequently, effective procedures for monitoring and intervention are required. Although mobile augmented reality (MAR) solutions have a great potential to improve the on-site efficiency for professionals, particularly in the case of underground infrastructures, this technology is not yet mature enough to allow such applications. Based on principles similar to MAR, situated simulation offers a virtual 3D representation congruent with reality. In situated simulation, the immersion is less important, but there are more interactions possible with 3D environment. This work focuses on the design and development of a situated simulation application. It tackles the particular challenges related to 3D modeling of the environment and integration of geospatial data in video game engines.

L'érosion régressive est l'un des mécanismes initiaux de l'érosion interne qui se produit dans les fondations des barrages en remblai et des digues. Une fois que la charge hydraulique de l'écoulement souterrain atteint des conditions critiques, des particules de la couche granulaire se détachent et sont transportées vers le pied aval avec l'écoulement sous le toit du matériau cohésif. Un conduit d'érosion étiré de l'amont vers l'aval se forme dans la fondation à travers ce processus, mettant en danger la stabilité du corps supérieur du barrage. Des études antérieures ont révélé que deux mécanismes différents sont responsables de la progression du conduit d'érosion, à savoir les érosions primaires et secondaires, c'est-à-dire l'érosion au niveau de la tête du conduit et du lit du conduit, respectivement. Plusieurs critères ont été développés sur la base de l'érosion secondaire, tels que la méthode de Sellmeijer pour déterminer le gradient global critique requis pour la progression du conduit d'érosion. Cependant, la plupart des investigations récentes se sont concentrées sur les conditions hydrauliques locales, car l'application de tels critères globaux sur le terrain pourrait être difficile en raison de l'hétérogénéité du terrain et de la stratification complexe du sol. Cette étude vise principalement à modéliser expérimentalement l'érosion régressive. Pour atteindre cet objectif, une cellule d'essai rectangulaire avec sortie de type trou est conçue pour contourner les inconvénients et les limitations des dispositifs existants. La configuration améliorée est composée de plusieurs rangées de capteurs de pression le long du chemin du conduit d'érosion, permettant de suivre librement les conditions hydrauliques le long des méandres du conduit. La compaction horizontale, l'application automatique de charge, le système d'acquisition de données de haute précision et fréquence et la procédure d'essai basée sur l'instrumentation sont d'autres améliorations ajoutées à la cellule. Les essais d'érosion avec la configuration améliorée sur différents sables fins uniformes montrent que le gradient global critique (i[indice G_cr]) dans la configuration de sortie de type trou peut être expliqué par la conductivité hydraulique (k) et la taille de grain représentative (d₇₀). La comparaison des données d'essai de la présente étude avec les données de la littérature démontre en outre que i[indice G_cr] corrèle parfaitement avec le facteur d'échelle (Fₛ) qui intègre à la fois k et d₇₀. En conséquence, le critère modifié de Sellmeijer est examiné pour son inclusion d'un nombre excessif de paramètres dans la prédiction du gradient global critique. La révision de la procédure de développement de la méthode de Sellmeijer révèle que le modèle est surajusté et inclut des paramètres intercorrélés. L'analyse statistique des données expérimentales utilisées pour modifier le critère de Sellmeijer montre qu'un modèle alternatif avec un nombre moindre de paramètres existe qui peut prédire le gradient global critique encore plus précisément. Le modèle proposé, développé sur la base des données expérimentales avec une sortie de type pente, est ensuite validé avec les données d'essai obtenues à partir de la configuration améliorée de cette étude. Il est démontré que le modèle est capable de prédire avec précision les deux types de configurations de sortie. Une analyse supplémentaire sur la capacité de prédiction du critère modifié de Sellmeijer rejette l'hypothèse précédente concernant sa surestimation 2 fois supérieure dans la prédiction du gradient pour les sorties de type trou. De plus, l'historique des charges et le gradient local sont étudiés dans les tests d'érosion sur les sables fins. Il est constaté que l'historique de charge hydraulique, c'est-à-dire l'application de charge en une seule étape ou en plusieurs étapes, n'a aucune influence sur le processus d'érosion. L'analyse des gradients locaux mesurés en amont du conduit d'érosion à l'aide des capteurs de la cellule reflète la relation mutuelle entre la progression du conduit d'érosion et le gradient local à la tête du conduit. Les résultats des essais indiquent la relation linéaire entre le gradient global critique et le gradient local. Une méthode géostatistique (krigeage) est utilisée pour étudier davantage l'influence de la distance entre les capteurs sur l'ampleur du gradient local mesuré. Il est démontré que le krigeage pourrait ne pas être un outil approprié pour l'interpolation de la charge hydraulique à proximité de la tête du conduit d'érosion. Une approche différente est utilisée, démontrant que le gradient local augmente de manière exponentielle avec la diminution de la distance entre les capteurs. / Backward erosion piping is one the initiating mechanisms of internal erosion that occurs in the foundations of embankment dams and dikes. Once the hydraulic load of the underground seepage reaches the critical conditions, particles of the granular layer are detached and transported towards the downstream toe with the seepage under the roof of the cohesive material. A stretched pipe from upstream to downstream forms in the foundation through this process which endangers the stability of the upper dam body. Previous studies found out that two different mechanisms are responsible for the progression of the pipe, namely primary and secondary erosions, i.e., erosion at the pipe tip and the pipe bed, respectively. Several criteria have been developed based on the secondary erosion such as Sellmeijer's method to determine the critical global gradient required for the pipe progression. Most recent investigations, however, focused on the local hydraulic conditions since application of such global criteria in the field could be challenging due to the field heterogeneity and complex soil stratification. This study aims primarily to model backward erosion experimentally. To achieve this end, a rectangular test cell with hole-type exit is designed which improves the drawbacks and limitations of the existing setups. The improved setup is composed of several rows of pressure sensors along the pipe pathway enabling to track freely meandering pipe's hydraulic conditions. Horizontal compaction, automatic load application, high accuracy and frequency data acquisition system and instrumentation-based testing procedure are other improvements added to the cell. The erosion tests with the improved setup on different fine uniform sands show that the critical global gradient (i[subscript G_cr]) in hole-type exit configuration can be explained by the hydraulic conductivity (k) and the representative grain size (d₇₀). Comparing the present study's test data with the data from the literature further demonstrates that i[subscript G_cr] correlates perfectly with the scale factor (Fₛ) which incorporates both k and d₇₀. Consequently, Sellmeijer's modified criterion is scrutinized for its inclusion of an excessive number of parameters in predicting the critical global gradient. Revisiting the development procedure of Sellmeijer's method reveals that the model is overfitted and it includes intercorrelated parameters. Statistical analysis on the experimental data used to modify Sellmeijer's criterion shows that an alternative model with a smaller number of parameters exists that can predict critical global gradient even more accurate. The proposed model developed based on the experimental data with slope-type exit is further validated with the test data obtained from this study's improved setup. It is shown that the model is capable of accurate prediction for both types of exit configurations. Additional analysis on the prediction capability of the Sellmeijer's modified criterion dismisses the prior hypothesis concerning its 2-time overestimation in prediction of the gradient for the hole-type exits. Furthermore, the loading history and local gradient are investigated in the erosion tests on the fine sands. It is found out that hydraulic loading history, i.e., single stage or multistage load application does not have any influence on the erosion process. The analysis of the local gradients measured upstream of the pipe using the cell sensors reflects the mutual relationship between the pipe progression and the local gradient at the pipe tip. The test results indicate the linear relationship between the critical global gradient and the local gradient. A geostatistical method (kriging) is used to further study the influence of the sensors distance on the magnitude of the measured local gradient. It is demonstrated that kriging might not be an appropriate tool to use for interpolation of the pressure head in the vicinity of the pipe tip. A different approach is used which demonstrates that local gradient increases exponentially with decreasing distance between the sensors.

En ingénierie sismique, il est admis que le comportement d’une structure soumise à de forts séismes soit caractérisé par des boucles d’hystérésis qui peuvent être amples ou étroites selon le type de structure impactée. La prise en compte de ce type de comportement non-linéaire dans un calcul temporel présente des difficultés liées à l’identification des paramètres, au coût numérique élevé, au risque de non-convergence. Dans ce contexte, la méthode de linéarisation équivalente, a été introduite en géotechnique dès les années 70. Elle reste peu utilisée dans le domaine des structures malgré les efforts de nombreux auteurs. Ce travail de thèse a pour objet l’étude du comportement linéaire équivalent dans le contexte des méthodes simplifiées d'évaluation de la réponse non-linéaire d'une structure en ingénierie sismique. Nous passons en revue les critères de linéarisation adoptés par les différentes méthodes qui recherchent l’équivalence (1) du déplacement maximum ou (2) de la quantité d’énergie dissipée ou (3) de la force de rappel. Nos analyses montrent que ces trois critères ne sont pas pertinents et/ou efficaces, conduisant à des méthodes peu robustes qui conduisent dans certains cas à des résultats inexplicables. Nous montrons le rôle important, négligé par toutes les méthodes disponibles, du contenu fréquentiel respectif des signaux et du système dans la détermination de la ductilité appelée. Sur cette constatation, nous introduisons une nouvelle méthode de linéarisation équivalente basée sur la fonction de transfert. Nous utilisons cette méthode pour explorer un plan d’expérience numérique dans lequel nous calculons les caractéristiques de fréquence et d’amortissement équivalents en fonction de la ductilité appelée pour différente configurations caractérisées par (a) le rapport entre fréquence de l’oscillateur et fréquence centrale du signal excitateur, (b) la pente d’écrouissage et (c) le modèle de comportement qui varie continument de élastoplastique à endommageant. Nous proposons deux nouvelles approches du comportement linéaire équivalent. La première, visant à améliorer la procédure statique non-linéaire de l’ATC40, utilise la rigidité sécante et le déplacement maximal. Elle fait intervenir une estimation de l’amortissement différente de celle de l’ATC40. Sa pertinence est établie par le fait qu’elle permet d’évaluer avec exactitude le déplacement maximal de systèmes canoniques non-linéaires. La seconde consiste à restituer la dynamique de la réponse d'un oscillateur non-linéaire au travers de la fonction de transfert. Sa pertinence est démontrée au travers des critères d’Anderson, avec notamment un critère relatif au spectre transféré. La détermination du comportement linéaire équivalent par fonction de transfert est validée sur des structures réelles au travers des essais sur voiles en béton armé (SAFE) et sur systèmes des tuyauteries (BARC et EPRI) / In earthquake engineering, it is common that the behaviour of a structure undergoing a strong motion is characterized by wise or narrow hysteresis loops depending on the type of behaviour of the structure. Considering this non-linear behaviour in a transient calculation requires a huge need of resources in terms of calculation time and memory. In this context, the method of equivalent linearization, consisting in the evaluation of the non-linear response of the structure has been introduced by geotechnical engineers In the 1970s. Despite efforts of many authors, this method is still not used in structural field. The goal of this research is to examine the linear equivalent behaviour in the context of the simplified method of evaluating the non-linear response of a structure in earthquake engineering. We review the criteria of equivalence adopted by many methods searching for the equivalence of (1) the maximum of displacement or (2) quantity of dissipated energy or (3) the restore force. Our argumentative analyses carry out that these three criteria are not pertinent and/or efficient. This leads, in some cases, to some unexplained results. We show the important role, which is mostly neglected in existing method, of frequency content while evaluating the ductile demand. Based on this recognition, we introduce a new method of equivalent linearization based on the transfer function. We use this method in order to explore a numerical experimental plan in which we calculate the equivalent characteristics (frequency and damping) versus the ductile demand for different configuration characterized by (a) the ratio between the frequency of the oscillator and the central frequency of the input signal, (b) the hardening and (c) the behaviour which covers the elastoplastic and damaged ones. We propose two new approaches of the linear equivalent behaviour. The first one, aiming to improve the non-linear static procedure of ATC40, use the secant stiffness and the maximal displacement. This approach consists in an estimation of damping which is different to ATC40. Its pertinence is established by evaluating with accuracy the maximal displacement of the canonical non-linear systems. The second approach consists in restitution of the dynamic of the response of a non-linear oscillator by using the transfer function. The pertinence of this proposition is shown through the criteria of Anderson, especially in terms of transferred motion. In this effect, the linear equivalent behaviour based on the transfer function allows to cope the transferred motion through the non-linear oscillator without performing the non-linear transient calculation. The validation of the linear equivalent behaviour based on the transfer function has been examined on real structures through some experimental tests such as the reinforced concrete wall (SAFE) or piping systems (BARC and EPRI)