Ce travail porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carrée avec ou sans singularités. Il est consacré tout particulièrement à déterminer les paramètres pertinents de l’écoulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l’écoulement de mousse en proche parois, les épaisseurs de films liquides minces et épais en paroi et l’évolution de la contrainte pariétale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 à 85% et la vitesse débitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces paramètres déterminés en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectué des mesures sur différentes géométries représentant un élargissement brusque, une chicane verticale et écoulement de mousse autour d’un cylindre, dont le but est d’étudier la réorganisation de l’écoulement en vue de déterminer le comportement rhéologique des mousses en écoulement à l’aval et à l’amont des singularités. Finalement, une étude de simulation numérique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a été effectuée afin de tester sa capacité de représenter des écoulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularités. Nous avons vérifié tout d’abord l’évolution longitudinale de la pression statique qui est linéaire à l’amont comme à l’aval loin des zones influencées par les singularités. La chute de pression singulière reste à peu près constante pour une vitesse débitante donnée de la mousse. À partir de la technique de Vélocimétrie par Image de Particule (PIV), nous avons déterminé les composantes de vitesse au voisinage immédiat des singularités. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence l’existence de différents régimes d’écoulement, et de déterminer la réorganisation et le comportement rhéologique de l’écoulement de mousse autour des géométries étudiées. L’analyse des mesures d’épaisseur de films liquides, obtenues par la méthode conductimétrique, indique que la paroi reste mouillée par un film liquide suffisamment épais pour qu’on puisse appliquer la méthode électrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse présentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pariétales déduites à partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L’étude numérique (CFD), effectuée pour une fraction volumique de gaz égale à 70% et qui s’écoule avec une vitesse débitante de 2 cm/s, montre que le modèle rhéologique de Bingham pourrait être bien adapté à ce genre de mousse humide évoluant en écoulement en bloc. / This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block.

La capacité à percevoir des courants dans un fluide s'est développée chez de nombreuses espèces animales, dans des contextes écologiques très variés qui couvrent aussi bien les interactions proies-prédateurs, la sélection sexuelle ou l'orientation dans un environnement. Parmi ces espèces animales, les grillons détectent les courants d'air générés notamment lors de l'attaque de leurs prédateurs à l'aide de deux organes appelés "cerques", situés à l'arrière de leur abdomen et recouverts de poils mécano-sensoriels. Ces senseurs sont considérés comme les détecteurs les plus sensibles du monde animal. Il leur suffit de capter l'énergie d'un dixième d'un photon pour déclencher un potentiel d'action au niveau du neurone sensoriel. Ce manuscrit présente à la fois le développement des outils de mesures sans contact adaptés à ces questions d'écologie sensorielle ainsi que les méthodes numériques simulant les processus physiques à l'oeuvre. L'étude du fonctionnement des senseurs a nécessité l'adaptation des méthodes de mesures non intrusives de très grande précision tel que la Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV). La couche limite oscillante dans laquelle évoluent les poils a été visualisée et a servi à déterminer la réponse de poils modélisés par des systèmes oscillatoires du second ordre. Le couplage visqueux entre poils a été lui aussi caractérisé en adaptant la PIV à des mesures à très petites échelles sur des poils biomimétiques micro-electro-mécanique (MEMS). Les mesures des perturbations générées lors des attaques d'araignées, principales prédatrices des grillons, nous ont aidé à valider des modélisations numériques, réalisées à l'aide des techniques de dynamique des fluides computationnelles (CFD) par résolution des équations de Navier Stokes via la méthode des éléments finis (FEM). La mise au point et l'utilisation de techniques de métrologie optique en dynamique des fluides semi-visqueux et l'analyse des données nous permettent de revisiter la sensibilité extrême du système sensoriel du grillon et de placer ces mesures dans un contexte plus large, d'écologie sensorielle. En particulier, nous montrons que ces soies sont placées en groupe compact et exercent entre elles un fort couplage aérodynamique visqueux, qui réduit fortement leur sensibilité "de groupe". Ce fort couplage interroge l'intérêt d'avoir des récepteurs aussi performants individuellement, s'ils perdent leur sensibilité lorsqu'ils fonctionnent en réseau. Finalement, les réactions des poils à des mouvements de fluides générés par un piston mimant les attaques réelles d'araignées ont pu être déterminées à l'aide d'une caméra rapide, puis simulées et validées après avoir développé un modèle mécanique du poil répondant à des stimuli transitoires. / Flow sensing is used by a vast number of animals in various ecological contexts, from preypredator interactions to mate selection, and orientation to flow itself. Among these animals, crickets use hundreds of filiform hairs on two cerci as an early warning system to detect remote potential predators. Over the years, the cricket hairs have been described as the most sensitive sensor in the animal kingdom. The energy necessary for the emission of an action potential by its sensory neuron was estimated to be a tenth of the energy of a photon. This PhD thesis aims to describe recent technological advances in the measurement and model of flows around biological and artificial flow sensors in the context of organismal sensory ecology. The study and understanding of the performance of sensory systems requires a high spatial precision of non-intrusive measurement methods. Thus, non-contacting measurement methods such as and Particle Image Velocimetry (PIV), originally developed by aerodynamics and fluid mechanics engineers, have been used to measure flows of biological relevance. The viscous oscillatory boundary layer surrounding filiform hairs has been visualized and used as input to model the mechanical response of these hairs, described as second order mechanical systems. The viscous hydrodynamic coupling occurring within hair canopy was also characterized using PIV measurements on biomimetic micro-electro-mechanical systems (MEMS) hairs, mimicking biological ones. Using PIV, we have also measured the air flow upstream of hunting spiders. We prove that this flow is highly conspicuous aerodynamically, due to substantial air displacement detectable up to several centimeters in front of the running predator. This disturbance of upstream air flows were also assessed by computational fluid dynamics (CFD) with the finite elements method (FEM). The development of non-intrusive measurement and CFD methods and their application to the analysis of the biological flow involved in cricket sensory ecology allowed us to revisit the extreme sensitivity of cricket filiform hairs. We predicted strong hydrodynamic coupling within natural hair canopies and we addressed why hairs are packed together at such high densities, particularly given the exquisite sensitivity of a single hair. We also proposed a new model of hair deflection during the arrival of a predator, by taking into account both the initial and long-term aspects of the flow pattern produced by a lunging predator. We conclude that the length heterogeneity of the hair canopy mirrors the flow complexity of an entire attack, from launch to grasp.

L'utilisation des meubles frigorifiques de vente fermés a augmenté régulièrement dans les supermarchés en raison des économies d'énergie réalisées par rapport aux meubles ouverts. D’où la nécessité d'élargir les connaissances scientifiques à ce type de meuble. Pour l’instant la plupart des études de la littérature ont porté sur l'amélioration de l'efficacité énergétique après l'installation de portes, tandis que les études sur les mécanismes de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés sont rares. De plus, il convient d’étudier également les circulations d’air car ils influencent les échanges de chaleur entre l’air et les produits, donc leur température. Cette thèse a pour objectif de mieux comprendre les phénomènes d’écoulement d’air et de transfert de chaleur dans les meubles frigorifiques fermés par la mise en œuvre d'approches expérimentales et numériques.Des investigations expérimentales ont été menées sur un meuble frigorifique fermé placé dans une cellule d’essai à température contrôlée. Quatre-vingts thermocouples calibrés répartis dans le meuble ont permis d’observer les évolutions spatio-temporelles des températures de l’air et du produit dans différentes conditions de fonctionnement. Nous avons fait varier la température de l'air ambiant (15, 19, 24 et 29 ° C), le volume occupé par le produit (meuble vide ou plus ou moins chargé de blocs de méthylcellulose) et la fréquence d'ouverture des portes (0 : fermé en permanence, 10, 20, 40, 60 Ouvertures Par Heure - OPH). Des expériences ont également été réalisées dans une configuration ouverte du meuble frigorifique (portes complètement retirées) afin de déterminer les avantages des portes sur les performances thermiques.Les résultats ont montré que lorsque les portes étaient fermées en permanence, les champs de température étaient similaires quels que soient la température ambiante et le pourcentage de volume occupé : la température la plus élevée se situe à l’avant de l'étagère supérieure alors que la température la plus basse est observée à l’arrière de l'étagère inférieure. Cette répartition change lorsque les portes sont périodiquement ou définitivement ouvertes : la position où la température est la plus élevée migre vers l’avant de l'étagère du milieu. Même pour une fréquence très élevée d’ouverture des portes (60 OPH), les températures de l’air et des produits dans le meuble fermé sont restées plus basses d’au moins 1,0 ° C par rapport au meuble sans portes.Des mesures de vitesse d'air par anémométrie à fil chaud au niveau du rideau d’air ont permis d'observer son allure générale tandis que les mesures effectuées dans le conduit arrière ont permis de quantifier la répartition du flux d'air à travers le plaque arrière perforée. L’utilisation d’une technique de vélocimétrie par image de particules (PIV) a permis de caractériser le rideau d’air avec une résolution et une précision spatiale supérieures. Les résultats ont notamment montré l’existence d’une zone de recirculation de l'air dans la partie supérieure du meuble où l’on observe également une infiltration d'air ambiant chaud par les fentes présentes autour des portes. Ceci induit une augmentation de la température du rideau d'air. Des simulations numériques bidimensionnelles d’écoulement (CFD) avec le modèle de turbulence k-ε ont permis de reproduire les principaux phénomènes d'écoulement observés par PIV et de voir leur influence sur la distribution de température dans le meuble.Enfin, un modèle simplifié des transferts de chaleur a été développé par une approche zonale en régime permanent et en régime transitoire ce qui permet respectivement de prévoir les températures moyennes de l’air et du produit et les fluctuations de température en fonction des cycles marche / arrêt du compresseur. Le modèle transitoire a été résolu avec une approche spectrale. L'influence de différents paramètres sur les niveaux de température et l'amortissement des fluctuations peut ainsi être identifiée. / The use of closed refrigerated display cabinets in supermarkets has been increased steadily because of the potential energy savings compared to open ones. This growing trend has contributed to the necessity to expand research in the field of retail refrigeration. Most studies in literature, however, focused on the improvements of energy efficiency after door installation while studies on the mechanism of heat transfer and airflow within closed display cabinets are still limited. In fact, the airflow pattern influences the heat exchange between air and products, thus, product temperature. This PhD thesis aims to gain an insight into the mechanism of airflow and heat transfer in closed refrigerated display cabinets by the implementation of experimental and numerical approaches.Experimental investigations were conducted in a closed refrigerated display cabinet (an integral type with a single band air curtain and two double-glazing doors) located in a controlled-temperature test room. Air/product temperatures and air velocity are the main parameters taken into investigations. Eighty calibrated thermocouples distributed throughout the cabinet made it possible to observe the spatial and temporal evolutions of the air and product temperatures under different operating conditions. These conditions were ambient air temperature (15, 19, 24 and 29 °C), product-occupied volume (unloaded, half-loaded and full-loaded with test packages made of methylcellulose), door-opening frequency (0 - permanently closed, 10, 20, 40, 60 Openings Per Hour - OPH) and opening duration (15s and 30s). An automatic door opening system was developed and allowed to apply the opening regime as prescribed in the standard test (EN ISO 23953-2, 2015). The experiment was also conducted in an open configuration of the cabinet (doors were completely removed) to determine the benefits of the doors on the temperature performance. The results showed that when the doors were permanently closed, the temperature distribution in the cabinet was similar whatever the ambient temperatures and occupied-volume percentages – the highest temperature position at the front-top shelf and the lowest temperature position at the rear-bottom shelf. The temperature distribution changed when the doors were periodically or permanently open – the front of the middle shelf became the highest temperature position while the lowest temperature position remained at the rear-bottom shelf. However, the air and product temperatures in the cabinet with doors remained lower despite a very high door-opening frequency (i.e. 60 OPH, product temperatures at least 1.0 °C lower), compared to the case without doors.Air velocity measurement using a hot-wire anemometer at the front of the cabinet from the discharge to the return air grilles allowed to observe the shape of the air curtain, while the measurement in the rear duct allowed to quantify the air flow distribution over the perforated back panel of different shelves. The use of a Particle Image Velocimetry (PIV) technique allowed the characterization of the air curtain with higher spatial resolution and accuracy. The result showed a zone of air recirculation at the upper part of the cabinet where warm ambient air infiltration through the door gaps was also observed, leading to an increase in the air curtain temperature. A 2D-CFD k-ε turbulence model was developed to reproduce the main flow phenomena observed by PIV so that its influence on the internal temperature distribution can be examined.Finally, a simplified heat transfer model was developed based on a zonal approach in both static and dynamic regimes which permits, respectively, the predictions of time-averaged air and product temperatures and temperature fluctuations according to the on/off cycle of the compressor regulation. The dynamic model was solved with a spectral approach, thus the influence of different parameters on the damping of the temperature fluctuations can be identified.

The present research project is carried out at the von Karman Institute for Fluid Dynamics (Rhode-Saint-Genèse, Belgium) with the financial support of the European Space Agency.<p><p>The first stage of spacecrafts (e.g. Ariane 5, Vega, Shuttle) generally consists of large solid propellant rocket motors (SRM), which often consist of segmented structure and incorporate a submerged nozzle. During the combustion, the regression of the solid propellant surrounding the nozzle integration part leads to the formation of a cavity around the nozzle lip. The propellant combustion generates liquefied alumina droplets coming from chemical reaction of the aluminum composing the propellant grain. The alumina droplets being carried away by the hot burnt gases are flowing towards the nozzle. Meanwhile the droplets may interact with the internal flow. As a consequence, some of the droplets are entrapped in the cavity forming an alumina puddle (slag) instead of being exhausted through the throat. This slag reduces the performances.<p><p>The aim of the present study is to characterize the slag accumulation process in a simplified model of the MPS P230 motor using primarily optical experimental techniques. Therefore, a 2D-like cold-gas model is designed, which represents the main geometrical features of the real motor (presence of an inhibitor, nozzle and cavity) and allows to approximate non-dimensional parameters of the internal two-phase flow (e.g. Stokes number, volume fraction). The model is attached to a wind-tunnel that provides quasi-axial flow (air) injection. A water spray device in the stagnation chamber realizes the models of the alumina droplets, which are accumulating in the aft-end cavity of the motor.<p><p>To be able to carry out experimental investigation, at first the the VKI Level Detection and Recording(LeDaR) and Particle Image Velocimetry (PIV) measurement techniques had to be adapted to the two-phase flow condition of the facility.<p><p>A parametric liquid accumulation assessment is performed experimentally using the LeDaR technique to identify the influence of various parameters on the liquid deposition rate. The obstacle tip to nozzle tip distance (OT2NT) is identified to be the most relevant, which indicates how much a droplet passing just at the inhibitor tip should deviate transversally to leave through the nozzle and not to be entrapped in the cavity.<p><p>As LeDaR gives no indication of the driving mechanisms, the flow field is analysed experimentally, which is supported by numerical simulations to understand the main driving forces of the accumulation process. A single-phase PIV measurement campaign provides detailed information about the statistical and instantaneous flow structures. The flow quantities are successfully compared to an equivalent 3D unsteady LES numerical model.<p><p>Two-phase flow CFD simulations suggest the importance of the droplet diameter on the accumulation rate. This observation is confirmed by two-phase flow PIV experiments as well. Accordingly, the droplet entrapment process is described by two mechanisms. The smaller droplets (representing a short characteristic time) appear to follow closely the air-phase. Thus, they may mix with the air-phase of the recirculation region downstream the inhibitor and can be carried into the cavity. On the other hand, the large droplets (representing a long characteristic time) are not able to follow the air-phase motion. Consequently, a large mean velocity difference is found between the droplets and the air-phase using the two-phase flow measurement data. Therefore, due to the inertia of the large droplets, they may fall into the cavity in function of the OT2NT and their velocity vector at the level of the inhibitor tip.<p><p>Finally, a third mechanism, dripping is identified as a contributor to the accumulation process. In the current quasi axial 2D-like set-up large drops are dripping from the inhibitor. In this configuration they are the main source of the accumulation process. Therefore, additional numerical simulations are performed to estimate the importance of dripping in more realistic configurations. The preliminary results suggest that dripping is not the main mechanism in the real slag accumulation process. However, it may still lead to a considerable contribution to the final amount of slag.<p> / Doctorat en Sciences de l'ingénieur / info:eu-repo/semantics/nonPublished