Auswahl der wissenschaftlichen Literatur zum Thema „Concentrateurs par gravité – Simulation par ordinateur“

Les spirales gravimétriques ou « spirales » sont des équipements de séparation par gravité utilisés pour la valorisation des minerais pour lesquels la densité des minéraux de valeur est significativement différente de celle de gangue. C'est le cas du traitement du minerai de fer discuté dans cette thèse. Les spirales sont préférées à d'autres séparateurs car elles sont peu coûteuses, simples à utiliser, pratiquement sans entretien, peu exigeantes en énergie et n'utilisent pas de réactif. Malgré ces qualités attrayantes et contrairement à la flottation, peu d'études sont consacrées à examiner l'opération des spirales. En effet, ce n'est que récemment que l'analyse de ce procédé a démontré que les spirales ne réussissaient pas à récupérer les particules minérales denses et grossières au produit lourd alors qu'elles le devraient en théorie. Il a également été démontré récemment que l'eau de lavage, qui est la principale variable de contrôle pour les spirales, est en partie responsable de la perte des particules grossières. Pour compenser cette perte, d'autres variables de contrôle doivent être utilisées, dont l'ouverture des couteaux de concentré et la position des portes du diviseur à la décharge de la spirale. L'étude de stratégies alternatives de contrôle des spirales ne peut difficilement se faire en milieu industriel, car l'opération des usines de traitement des minéraux est soumise à des contraintes imposées par la production et la qualité du produit final. Par ailleurs, l'impact des perturbations dues aux variations du minerai et/ou aux problèmes mécaniques dans l'usine est inévitable. Tester de nouvelles stratégies de contrôle dans une usine pilote est une option certainement trop coûteuse. Les opérateurs d'usine recherchent donc des approches rapides et peu coûteuses pour identifier des stratégies qui pourraient ensuite être testées sécuritairement dans l'usine. La simulation de procédé offre cette possibilité, mais une étude de la littérature a rapidement révélé l'absence d'outils de simulation pour les spirales et plus particulièrement pour les circuits de séparation gravimétrique utilisant des spirales. Pour construire un tel simulateur il faut donc trouver ou développer des modèles mathématiques pour les unités du circuit. Pour pouvoir tester des stratégies de contrôle, il est important que le modèle développé prenne en compte les variables de fonctionnement de la spirale, dont l'ouverture des couteux de concentré et du diviseur à la décharge de spirale ainsi que l'ajout d'eau de lavage. L'objectif de ce projet de recherche est de proposer un tel modèle pour les spirales. Le modèle mathématique proposé décrit la trajectoire des particules distribuées en classes de minéraux/taille lors de leur descente dans la spirale. Cette prédiction est réalisée en introduisant le nouveau concept de Fonctions de Déplacement de Particules (FDP) pour décrire les mouvements des particules. Le modèle est calibré en utilisant des données générées à partir d'essais réalisés sur un montage à l'échelle pilote construit autour d'une spirale Mineral Technologies WW6 +, installée au Laboratoire de Traitement de Minerai de l'Université Laval. Le modèle est ensuite validé avec des données obtenues avec une spirale WW6E opérée au COREM. Le montage, mis en service à l'Université Laval, utilise une distribution contrôlée d'eau de lavage dans les tours de spirale pour surmonter le problème observé de distribution inégale de l'eau de lavage lorsque le système intégré à la spirale est utilisé. Le montage est également conçu pour échantillonner simultanément le produit de chaque couteau de concentré de la spirale, de sorte que la progression de la séparation des minéraux dans la spirale puisse être utilisée pour calibrer le modèle. Le simulateur calibré prédit de manière adéquate la réponse de la spirale aux changements des états des variables manipulables. Le modèle est capable de simuler l'opération d'une spirale nettoyeuse bien qu'il ait été calibré à l'aide de données collectées à partir d'une spirale ébaucheuse. Le modèle proposé est prêt à être implanté dans un simulateur pour une usine de traitement de minerai de fer, bien qu'il reste du travail à faire pour finaliser la méthodologie de calibrage pour améliorer la prédiction de la distribution granulométrique des minéraux dans le flux mixte de la spirale
Spiral concentrators are gravity separation devices used for the valorization of ores for which the specific gravity of the valuable minerals is significantly different from that of the gangue minerals. This is the case of iron ore processing discussed in this thesis. Spirals are preferred to other mineral separation devices because they are inexpensive, simple of operation, practically maintenance free, low energy demanding and do not require the use of reagents to separate minerals. Despite these appealing qualities and unlike flotation, few studies are dedicated to the analyze the spiral operation. Indeed, it is only recently that basic process analysis has shown that spirals fail to recover coarse dense mineral particles to the heavy product. It has also been recently found that wash water, as the main control variable for the operation of the studied spirals, is partly responsible for the loss of coarse valuable particles. To make up for this loss and to maintain a satisfactory operation of spirals, other control variables such as the concentrate cutter openings and position of the splitter gates at the spiral discharge should be used. The study of alternative control strategies for spirals implies testing these strategies in the industrial environment, which is practically impossible considering that the operation of mineral processing plants is subjected to constraints imposed on the production and on the quality of the plant product. Besides, the impact of disturbances due to ore variations and/or mechanical problems in the plant is unavoidable. Testing new control strategies in pilot plant is possible but it is certainly costly if one can find a pilot plant equipped for such testing. Plant operators are thus seeking for rapid and inexpensive approaches to carry out such investigation to identify strategies that can subsequently be safely tested in a plant. Process simulation offers this possibility, but a literature survey rapidly revealed the absence of simulation tools for spirals and more particularly for gravity separation circuits that use spiral concentrators. The first step in building such circuit simulator is to find or develop mathematical models for the units of the circuit. With the objective of testing control strategies, it is thus important that the model to be developed be able to account for the usual spiral operating variables, namely the cutter opening, the discharge splitter position and the wash water addition. The objective of this research project is to propose such model for spirals. A mathematical model is therefore described to predict the trajectory of particles distributed in mineral/size classes as they flow down a spiral. This is achieved here by introducing the new concept of Particle Displacement Functions (PDF) in spiral modelling to describe the movements of the particles flowing down the spiral. The model is calibrated using data generated from tests conducted on a pilot-scale test rig built around a Mineral Technologies WW6+ spiral, installed in the Mineral Processing Laboratory of Université Laval. The model is further validated with data obtained from a WW6E spiral operated at COREM. The test rig commissioned at Laval University uses a controlled wash water distribution within the spiral turns to overcome the observed problem of unequal wash water distribution when using the spiral built-in wash water distribution system. The test rig is also designed to sample simultaneously the product from each concentrate cutter of the spiral, so that the progress of the heavy mineral concentration down the spiral can be monitored. This information can be used to calibrate the model. The calibrated spiral simulator predicts adequately the spiral response to changes in the states of the operating variables. The model can simulate a cleaner spiral operation although it is calibrated using data collected from a rougher spiral operation. The proposed model is ready to be implemented into a simulator for an iron ore processing plant, although work remains to be done to finalize the calibration methodology to improve the prediction of the mineral size distribution in the spiral middling stream.

Cette thèse à l’interface entre les domaines scientifiques de la planétologie et de la physique des milieux granulaires, est divisée en deux parties qi ont toutes deux comme objectif d’améliorer notre compréhension de la physique des milieux granulaires dans différentes conditions de gravité. La dynamique des milieux granulaires est impliquée dans l’évolution des planètes telluriques, des satellites des planètes et des petits corps de notre Système Solaire, dont les surfaces sont généralement couvertes d’un milieu granulaire communément appelé le régolite. Une bonne compréhension du comportement des milieux granulaires est aussi critique pour la conception et/ou les opérations des atterrisseurs, des mécanismes de récolte d’échantillons et des rovers embarqués dans les missions spatiales. La première composante de cette thèse consiste à valider l’implémentation de la méthode d’éléments discrets dite de sphères dures ou (HSDEM pour « Hard Sphere Discret Element Method ») dans le code N-corps pkdgrav pour modéliser la dynamique des milieux granulaires. Par confrontation directe avec les résultats d’une expérience en laboratoire, nous démontrons que l’implémentation de HSDEM dans pkdgravest valide pour modéliser le comportement des milieux granulaires dans les régimes dilués. Une application à un système dense particulier est aussi présentée. La deuxième composante se concentre sur l’expérience AstEx de cisaillement d’un milieu granulaire en apesanteur. Cette expérience fut entièrement conçue, construite, conduite avec succès dans le cadre de cette thèse, ainsi que l’analyse des données. Nous avons ainsi mis en évidence que l’effet d’un cisaillement constant dans un sens perpendiculaire à la gravité n’est pas forcément influencé par la gravité. Nous avons aussi démontré que l’efficacité de la convection granulaire pourrait être réduite en présence d’un champ de gravité faible, similaire à celui présent à la surface des petits corps. Nous avons pu mesurer pour la première fois, un affaiblissement transitoire de la résistance d’un milieu granulaire après une inversion de la direction de cisaillement. Les résultats suggèrent que le réseau de force peut être plus faible en microgravité ; en revanche, le milieu est sensible aux changements du réseau de forces sur des distances beaucoup plus grandes conditions terrestres. Ces conclusions pourraient avoir des implications importantes dans l’interprétation des surfaces des astéroïdes
This thesis, at the interface between the scientific disciplines of planetary science and granular physics, has two key components, both of which intend to increase our understanding of granular dynamics in varying gravitational conditions. The dynamics of granular materials are involved in the evolution of solid planets, planetary satellites and small bodies in our Solar System, whose surfaces are generally covered with regolith. Understanding granular dynamics is also critical for the design and/or operations of landers, sampling devices and rovers to be included in space missions. The first component of this thesis is the validation of the hard-sphere discrete element method (HSDEM) implementation in the N-body code pkdgrav to model the dynamics of granular material. By direct comparison with results form laboratory experiments, it is demonstrated that the hard-sphere discrete element method implementation in pkdgrav is valid for modelling granular material in dilute regimes and is capable of reproducing the complex dynamical behaviour of a specific dense system as well. The second component is focussed on the AsTex parabolic flight experiment. This experiment, with the aim of characterising, the response of granular material to rotational shear forces in a microgravity environment, was designed, constructed, flown and the data were analysed as part of this thesis. It was found that the effect of constant shearing on a granular material in a direction perpendicular to the gravity field is not strongly influenced by gravity. The AstEx experiment has demonstrated, for the first time, that the efficiency of granular convection may decrease in the presence of a weak gravitational field, similar to that on the surface of small bodies. The first measurements of transient weakening of granular material after shear reversal in microgravity are also reported. Results suggest that the force contact network may be weaker in microgravity, although the influence of any change in the contact network is felt by the granular material over much larger distances. This may have important implications of our interpretation of asteroid surfaces

Cette thèse traite des ondes internes de gravité et de leur influence sur la dynamique des étoiles de type solaire. Nous nous sommes attachés à comprendre leurs processus d'excitation, de propagation et d'amortissement dans les environnements complexes que sont les intérieurs stellaires. Dans la première partie, nous présentons deux contributions originales s'appuyant sur la théorie linéaire et asymptotique des oscillations stellaires. D'abord, l'étude en coordonnées sphériques 3D des résonances de corotation apporte des éléments nouveaux sur le transport de moment cinétique par les ondes et son traitement dans les codes d'évolution stellaire. Ensuite, les résultats obtenus par notre code de tracé de rayon en 3D offrent une vision inédite de la propagation des ondes dans une zone radiative sphérique en rotation. Nous avons ensuite développé un modèle complet 3D du Soleil qui inclut pour la première fois IE couplage non-linéaire, thermique et dynamique entre l'intérieur radiatif et l'enveloppe convective, le tout sous l'influence de la rotation. Nous trouvons que l'action continue des plumes convectives excite un large spectre d'ondes, dont nous démontrons qu'il s'agit d'ondes de gravité. L'étude de leur excitation et de leur spectre de puissance permet de caractériser l'énergie transmise de la convection aux ondes ainsi que leur taux d'amortissement, dont nous montrons qu'il est sur-évalué par la théorie linéaire. Nous étudions enfin les effets induits par la rotation sur les ondes et la précision des inversions sismiques de profils de rotation. Ce travail offre des outils de diagnostic en lien étroit avec la révolution actuelle de la sismologie stellaire
This thesis concerns the study of internal gravity waves in solar-like stars and of their influence on the dynamics of these stars. We focus our work on their excitation, propagation and damping processes in stellar interiors. In the first part, we present two original contributions based on the linear and asymptotic theon of stellar oscillations. We first study, in a 3D spherical geometry, the impact of critical layers on the angular momentum transport induced by interna) waves. Then, we present the results of our 3D raytracing code, that provides a new vision of the propagation of gravity waves in a spherical radiative zone in rotation. In the second part, we describe new 3D simulations of the Sun including the coupling between the inner radiative zone and the convective envelope, and taking into account rotation, nonlinear terms and thermal processes. We show that the pummeling of convective plumes excites a large spectrum of gravity waves propagating in the radiative zone. We study their power spectrum to characterize the amount of energy transmitted from convection to waves, and we show that the linear theory over-estimates their damping rate. Lastly, we focus on the effects of rotation on the excitation and propagation of waves, and we study the precision of seismic inversions of rotation profiles. This work offers new diagnostic tools in close relationship with the current revolution of stellar seismology

Ce travail est une etude des effets de site observes a mexico, qui ont ete la cause de la mort de milliers de personnes et de l'effrondrement de centaines de structures en septembre 1985. Si l'amplification du mouvement est raisonnablement expliquee par le contraste d'impedance entre la couche d'argile superficielle et son substratum, la difference de duree entre les enregistrements obtenus dans les differentes zones de la ville n'a pas encore ete expliquee de facon satisfaisante. Le memoire comprend deux parties: la premiere fait un bref rappel de l'histoire geologique du bassin de mexico et une revue rapide des donnees geotechniques et geophysiques concernant la vallee ainsi que des donnees de mouvement fort. La deuxieme partie est consacree a la simulation numerique (en utilisant les methodes d'aki-larner et des differences finies) des effets de diffraction et d'amplification dans ce bassin sous trois aspects differents: les effets a grande et petite echelle, et l'influence de la gravite

Ces deux dernières décades, les thématiques industrielles et académiques ont vu fortement augmenter les besoins en simulation numérique d'écoulements incompressibles multîfluides de fluides visqueux. Ce mémoire présente une étude effectuée dans le cadre d'une thèse de docteur-ingénieur CNRS/Entreprise dont la dominante est le développement d'une méthode de suivi d'interface de type volume de fluide (V. O. F) et son intégration dans un code industriel de mécanique des fluides afin d'en améliorer les performances en simulation d'écoulement multifluides. Cette méthode originale de suivi d'interface intitulée SL-VOF (Segment Lagrangian - Volume Of Fluid), utilise une représentation affine par morceau de l'interface et un schéma Lagrangien de son advcction. Les différentes versions sont testées tout d'abord sur des cas cinématiqucs simples et il apparaît que la dernière est d'ordre 2. Des simulations 2DV du déferlement d'une onde solitaire provoqué par une diminution spatiale progressive (plage) ou brutale (ouvrage de protection immergé ou émergé) de la hauteur d'eau sont validées de deux manières: Jusqu'au point de déferlement les caractéristiques de i'onde simulée (célérité, hauteur de crête, déformée de la surface libre) sont comparées avec succès à celles de l'onde solitaire simulée par une méthode intégrale aux frontières. Apres le point de déferlement, une comparaison satisfaisantes de la déformée de l'interface avec des expériences de laboratoire réalisées dans le cadre de ce travail achève de valider le modèle développé. Les simulations couvrent aussi le phénomène de splash-up et le début du run-up. Les temps de calcul très élevés ont conduii au développement d'une méthode de couplage entre le modèle présente et une méthode potentielle intégrale aux frontières. L'application de ce couplage à la simulation du déferlement d'une onde solitaire sur une plage en pente a permis de réduire le temps de calcul d'un facteur 7 et une comparaison avec des données expérimentales valide ce développement
Those two last decades, both in the industrial and academics fields, the needs in numerical simulation of multi-fluid flows involving viscous fluids have strongly increased. This thesis presents a study performed in the frame of a "CNRS/SME" granted Ph-D which major input is the development of an high order interface tracking method based on the Volume Of Fluid concept (V. O. F) and it integration in an industrial CFD code in order to improve it's capabilities in numerical simulation of multifluid flows. This original interface tracking method called SL-VOF (Segment Lagrangian - Volume Of Fluid) uses a piecewise linear interface representation and a lagrangian advection scheme. Various versions of this method arc first tested on simple kinematics cases from which the last version appears to be of fully second order. The two first versions of the method arc then tested throughout 2DV numerical simulations of solitary wave breaking due to a spatial mean water level decrease, slow (beach case) or quick (artificial reef, dike). Two kind of comparisons are then considered:From the initial condition to the breaking point, the characteristics (celerity, crest height, free surface shape) of the wave simulated without the air-water effect are successfully compared with those of the wave simulated with a high order B. L. E. M method. After the breaking point, the air-water interaction throughout the interface is considered with respect to the real density ratio and good comparisons for the interface shape evolution until the splash-up phenomena with experiments conducted in the frame of this study achieve the validation of our method. The beginning of the run-up is although computed. High CPU time have motivated the development of a coupling algorithm with a B. I. E. M. . An application of the coupling to the solitary wave breaking on a sloping beach have shown a computational time divided by a ratio of seven. Moreover, these faster computations compare satisfactorily with experimental data on the wave height

Cette thèse est une contribution à la construction de méthodes statistiques applicables à l’évaluation (modélisation et estimation) de certains indices utilisés pour analyser la gravité corporelle des accidents de la route. On se focalise sur quatre points lors du développement de la méthodologie adoptée : la sélection des variables (ou facteurs) présentant un effet aléatoire, la construction de modèles logistique-normaux mixtes, l’estimation des paramètres par approximation de Laplace et PQL (quasi-vraisemblance pénalisée), et la comparaison de la performance des méthodes d’estimation. Dans une première contribution, on construit un modèle logistique-Normal avec « Type de collision » comme variable à effet aléatoire pour analyser la gravité corporelle maximale observée dans un échantillon de véhicules accidentés. Des méthodes d’estimation fondées sur l’approximation de Laplace de la log-vraisemblance sont proposées pour estimer et analyser la contribution des variables présentes dans le modèle. On compare, par simulation, cette approximation Laplacienne à celle basée sur l’adaptation des polynômes de Gauss-Hermite (AGH). On montre que les deux approches sont équivalentes par rapport à la précision de l’estimation bien qu’AGH soit légèrement supérieure. Une deuxième contribution consiste à adapter certains algorithmes de la famille PQL à l’estimation des paramètres d’un deuxième modèle et à comparer sa performance en termes de biais aux méthodes de Laplace et AGH. Deux exemples de données simulées illustrent les résultats obtenus. Dans une troisième et dense contribution, on identifie plusieurs modèles logistique-normaux mixtes avec plus d’un effet aléatoire. La convergence numérique des algorithmes (Laplace, AGH, PQL) ainsi que la précision des estimations sont étudiées. Des simulations ainsi qu’une base de données détaillées d’accidents sont utilisées pour analyser la performance des modèles à détecter des véhicules contenant des usagers ayant des blessures graves corporelles maximales. Une programmation orientée R accompagnent l’ensemble des résultats obtenus. La thèse se termine sur des perspectives relatives aux critères de sélection de modèles GLM Mixtes et à l’extension de ces modèles à la famille multinomiale
This thesis is a contribution to the construction of statistical methods for the evaluation (modeling and estimation) of some indices used to analyze the injury severity of road crashes. We focus on four points during the development of the adopted methodology: the random variables (or factors) selection, the construction of mixed logistic-Normal model, the parameters estimation by Laplace approximation and PQL (penalized quasi-likelihood) and the performance comparison of the estimation methods. In a first contribution, a logistic-Normal model is constructed with "collision type" as random variable to analyze the maximum injury severity observed in a sample of crashed vehicles. Estimation methods based on the Laplace approximation of the log-likelihood are proposed to estimate and analyze the contribution of variables in the model. We compare, by simulation, this Laplacian approximation to those based on the adaptation of Gauss-Hermite polynomials (AGH). We show that the two approaches are equivalent with respect to the accuracy of the estimate although AGH is superior. A second contribution is to adapt some algorithms of PQL family to estimate the parameters of a second model and compare its performance to Laplace and AGH methods in terms of bias. Two examples of simulated data illustrate the obtained results. In a third and dense contribution, we identify several mixed logistic-Normal models with more than one random effect. The convergence of the algorithms (Laplace, AGH, and PQL) and the precision of the estimates are investigated. Simulations as well as a database of detailed crash data are used to analyze the models performance to detect vehicles containing users with maximum injury severity. Programming oriented R accompany all results. The thesis concludes with perspectives on GLM Mixed models selection criteria and the extension of these models to the multinomial family

La gravitation joue un rôle important dans de nombreux domaines de l'astrophysique : elle assure notamment la cohésion et la stabilité des planètes, des étoiles et des disques. Elle est aussi motrice dans le processus d'effondrement de structure et conduit, dès lors qu'un moment cinétique initial est significatif, à la formation d'un disque.Ma thèse est consacrée à l'étude des disques de gaz, et plus particulièrement à la description du potentiel et du champ de gravité qu'ils génèrent dans l'espace et sur eux-mêmes (l'auto-gravitation). Bien que la force de Newton soit connue depuis longtemps, la détermination des interactions auto-gravitantes reste difficile, en particulier lorsque l'on s'écarte significativement de la sphéricité. La principale difficulté tient dans la divergence hyperbolique du Noyau de Green 1/(r'-r) et nécessite un traitement propre. L'approche théorique est intéressante car elle fournit de nouveaux outils (techniques numériques, formules approchées, etc...) qui peuvent aider à produire des solutions de référence et à améliorer les simulations numériques.Dans une première partie, nous introduisons le sujet, les notions et les bases essentielles. Le chapitre $1$ est consacré à une présentation succinte du contexte scientifique et aux motivations de notre travail. Dans le chapitre $2$, nous reproduisons dans ces grandes lignes le cheminement conduisant au développement multipolaire, à partir de l'équation de Poisson et de la formule intégrale de Newton. Il s'agit de l'une des méthodes les plus classiques permettant d'obtenir le potentiel gravitationnel d'un corps. Les deux systèmes de coordonnées les plus utilisées sont mis en avant : sphériques et cylindriques. A travers quelques exemples, nous montrons les limites de cette approche, en particulier dans le cas de l'auto-gravité des disques.Dans une deuxième partie, nous abordons le vif du sujet. Le chapitre $3$ présente l'approche basée sur les intégrales elliptiques que nous retrouverons dans l'ensemble du manuscrit (cas général d'abord, puis cas axi-symétrique). Dans le chapitre $4$, nous établissons un premier résultat concernant le noyau de Green dans des systèmes axi-symétriques et verticalement homogènes : une forme alternative et régulière du noyau, quelque soit le point de l'espace. Nous avons exploité cette nouvelle formule pour déduire une bonne approximation du potentiel des disques géométriquement minces, des anneaux et des systèmes faiblement étendus en rayon. Ceci fait l'objet du chapitre $5$.Dans une troisième partie, nous étudions les effets de bords sur la composante verticale du champ de gravité, $g_z$, causés par un disque mince axi-symétrique. Le chapitre $6$ est dédié à l'approximation de Paczynski \citep{pacz78}, qui permet traditionnellement d'exprimer le champ comme une fonction linéaire de la densité de surface locale. Cette approximation n'est en fait strictement valide que dans le cas du modèle du "plan infini", loin d'un disque réaliste. Près du bord externe des disques où la gravité décroit, l'approximation de Paczynski s'avère assez imprécise (facteur $2$ typiquement), et ne donne pas de bons résultats et doit être corrigée. Toujours dans l'hypothèse d'une homogénéité verticale de la densité, nous avons construit une expression pour $g_z$ qui tient compte de ces effets de bords. Le chapitre $7$ est consacré à ce résultat.Dans une dernière partie, nous relâchons l'hypothèse de symétrie axiale (le disque est discrétisé en cellules cylindriques homogènes). Nous nous sommes inspirés du travail d'\cite{ansorg03} afin d'exprimer, via le théorème de Green, le potentiel d'une cellule cylindrique homogène par une intégrale de contour. Ce résultat s'applique directement aux simulations de disques, où ceux-ci sont découpés en cellules cylindriques, chacune ayant sa propre densité.Une conclusion et quelques perspectives sont données en fin de manuscrit.

L'objectif général de cette thèse est l'étude de d'écoulement instationnaire du type coulée de boue dans des canaux naturels. La pluie, source du débit liquide, entraine le ruissellement, responsable du mouillage du sol, de la réduction de sa cohésion et de l'érosion des petites particules de sédiments. A partir de là, le transport de sédiments peut augmenter avec le débit et la pente du sol jusqu'à ce que la concentration en particules atteignent des niveau très importants dans la composition du fluide. Dans une première partie, un banc expérimental a été conçu pour simuler des écoulements ruissellants sur un lit mobile. Un système de mesure a été inventé et implémenté pour mesurer le débit solide instantané et le frottement instantané. Ces systèmes sont utilisés pour étudier l'effet des ondes de surface libre sur le transport de sédiments. Ces données sont employées pour corréler les charactéristiques entr l'écoulement et le transport solide. L'analyse des résultats permet d'observer que pour un écoulement moyen donné, la présence des ondes réduit la quantité moyenne des sédiments transportés. Dans une deuxième partie, la dynamique des écoulements très concentrés est étudiée grâce à un modèle de roll waves de première ordre pour les écoulements laminaires des fluides de type Herschel-Bulkley. Les résultats présentés indiquent que des roll wave sont certainement présentes dans un événement naturel publié et pris comme cas d'étude. Les propriétés des ondes prédites sont estimées avec un écart de 8% par rapport à l'amplitude moyenne mesurée. Finalement, la solution théorique pour le profil de vitesse est modifiée pour prendre en considération l'effet de la porosité. La solution mathématique est comparée à des simulations faites avec FLUENT. Une analyse paramétrique est effectuée, et la comparaison avec le cas d'étude déjà publié est améliorée. En conclusion générale, les phénomènes instationnaires qui peuvent apparaitre lors de l'évolution d'une coulée de boue affectent la dynamique générale du système couplé (écoulement-transport sédimentaire) par rapport au cas permanent et uniforme. Vérifier que ce type de phénomènes peut apparaître lors d'un événement naturel comme les coulées de boue doit être un étape importante d'un projet d'ingénierie, afin de limiter les risques de dommages
This thesis was motivated by the need to better understand time-dependent features related to mudflow evolution on natural sloped channels. Basically, the research is focused on events that are confined in channels formed due to the topography. The rain, source of the liquid discharge, generates the runoff flow which is responsible for wetting the soil surface, promoting reduction of soil cohesiveness and erosion of small particles such as clay and sand. From this point, the sediment transport can increase as small water flows merge and form greater streams. The scenario keeps its evolution until i reaches high concentration of particles in the fluid mixture. In the first part, to study the non-permanent feature of sediment transport, an open-channel experiment was designed for simulating runoff flow over a mobile bed. A measurement system was designed and constructed to instantaneously inspect the solid discharge of particles and the flow friction at the bed. This apparatus is further used to explore the influence of free-surface waves on the sediment transport. Hydraulic properties of flows are qualitatively and quantitatively studied and data are used to correlate characteristics of flow and sediment transport. A set of experimental runs is presented and explored. Analysis of results shows that for fixed flow conditions, waves induce an overall smaller quantity of transported sediment. In a second part, the dynamics of high concentrated flows is addressed and this thesis attempts to appl a first-order roll-wave model for Herschel-Bulkley laminar fluid flow to a registered natural event. Results presented point out that roll waves could have occurred during this already published case-study event. Simulations could predict wave heights within 8% on uncertainty with respect to the mea amplitude of measured waves. Finally a new theoretical solution for the velocity profile is proposed taking into account the porosity of the bed. Results are then compared with numerical simulation performed in FLUENT. A parametric analysis is employed and the case-study is once again evaluated. A: general conclusion, the non-permanent phenomena that can appear during the evolution of a mudflow event affect the overall dynamics of the coupled system (hydraulic-sediment transport) in comparison to the steady and uniform case. Verifying that such phenomena could appear should indeed be an important part in hydraulic engineering projects, especially when dealing with lives, which is the case of mud flows

Celui-ci a pour objectif de valider l'ensemble des modèles physiques utilisés dans un code de simulation numérique pour simuler un écoulement de type annulaire dispersé en conduite rencontré lors d'une procédure de lavage à eau utilisé dans les raffineries. Pour ce faire une banque de données expérimentale est mise en place sur des configurations représentatives de celles utilisées en condition industrielle. La géométrie retenue comporte une zone horizontale d'injection rectiligne avec un injecteur central, suivi d'un coude à 90° situé dans un plan vertical. Différentes conditions expérimentales permettent d'étudier l'influence de la vitesse du gaz, de la condition d'injection du brouillard et de la pression sur les différents processus physiques. Ces résultats comprenant des visualisations du brouillard et du film pariétale, des mesures de taille et de distribution de gouttes,des mesures de débit et d'épaisseur de film, sont analysés pour faire ressortir les principaux mécanismes d'interaction entre le gaz et la phase dispersée, le gaz et le film liquide pariétal et la phase dispersée et le film pariétal. En parallèle, des premières simulations, avec une approche RANS, sont réalisées avec le code CEDRE de l'ONERA et les résultats sont confrontés aux mesures
This work has been realised within a CIFRE contract with TOTAL. Its aim was to validate all the physical models used in a computation, which simulates an annular dispersed flow through a pipe used in a water washing process in refinery plants. That is why, a whole set of data has been gathered using experimental boundary conditions which are representative to those used in industrial configurations. The geometry is made of a horizontal pipe with a centred nozzle followed by a 90º elbow in the vertical plane. Several experimental boundary conditions enable one to study the influence of the gas velocity, the type of the spray injection and the pressure on the different physical phenomena. These results including spray and liquid film visualisations, droplets distribution and size measurements as well as liquid film thickness and mass flow measurements were analysed in order to extract the main interaction mechanism between the gas and the dispersed phase, the gas and the liquid film, and the dispersed phase and the annular liquid film. Meanwhile, simulations using a RANS approach were realized with the ONERA code named CEDRE and its results were compared to the gathered measurements

Ce travail de thèse a pour but l’étude des douleurs de dos qui surviennent chez l’astronaute présentant davantage de hernies discales par rapport à une population contrôle. Nos recherches visent à comprendre la physiopathologie de ce phénomène et à étudier les conséquences cliniques de ce déconditionnement vertébral qui participe également aux troubles posturaux. Cet axe de recherche est recommandé par les différentes agences spatiales internationales. Pour cela nous avons eu l’opportunité d’analyser les données dans deux modèles d’études des effets de la microgravité : l’immersion sèche (n=11) et l’alitement tête déclive (n=9) et un état analogue, le confinement (n=4). Seuls les principaux résultats de l’immersion sèche, méthode d’étude nouvelle de notre paradigme, sont rapportés dans ce résumé. Celle-ci a permis grâce à l’imagerie et la spectroscopie par résonnance magnétique nucléaire de la colonne vertébrale, d’analyser en 3 dimensions le disque intervertébral et d’objectiver l’augmentation du contenu en eau (+17%) du volume de ce disque (+9,5%). Les variations du tonus des muscles paravertébraux et des membres inférieurs ont été mesurées avec la très récente et non-invasive technologie MyotonPRO. Une diminution du tonus musculaire (-7,3%) a été retrouvée, associée à une atrophie musculaire (-10,6%) ainsi qu’une perte de force démontrée sur les membres inférieurs. Ces résultats, attestant un déconditionnement musculaire, sont cohérents avec le déconditionnement postural immédiatement après immersion sèche. Nous avons également étudié les paramètres d’occlusion dentaire, qui font partie des entrées posturales et peuvent affecter la bonne stabilité du corps. Finalement deux éléments interviennent dans l’explication des dysfonctions vertébrales : l’augmentation de la taille de la colonne liée à celle du volume des disques intervertébraux. On note également une atrophie des muscles paravertébraux, qui joue un rôle majeur dans la posture. Nous avons par ailleurs montré le rôle de l’occlusion dentaire dans le déconditionnement vertébral et postural. En conclusion : le tonus musculaire, la bonne mobilité vertébrale et l’équilibre de l’occlusion dentaire sont des éléments à préserver pendant et après un séjour en impesanteur, afin d’éviter les effets délétères du déconditionnement
This work focuses on the study of back pain experienced by astronauts, who present with a greater incidence of herniated discs compared to a control population. Our research aims at understanding the physiopathology of this phenomenon and to study the clinical consequences of vertebral deconditioning which also contributes to postural disorders. This line of research has been recommended by the various international space agencies. For this reason, we had the opportunity to analyze data in two models simulating the effects of microgravity: dry immersion (n = 11) and head-down bed rest (n = 9), and a similar state, confinement (n = 4). Only the main results of dry immersion, a new method of studying our paradigm, are reported in this summary. Using magnetic resonance imaging and spectroscopy of the vertebral column, it was possible to analyze the intervertebral disc in 3 dimensions and to objectify the increase in water content (+ 17%) and the increase in intervertebral disc volume (+ 9.5%). Variations in paravertebral and lower limb muscle tone were measured with the very recent, and non-invasive, MyotonPRO technology. A decrease in muscle tone (-7.3%) was found to be associated with muscular atrophy (-10.6%) as well as a loss of strength in the lower limbs. These results, attesting to muscle deconditioning, are consistent with postural impairment immediately after dry immersion. We also studied variations in dental occlusion, which is involved with the maintenance of posture and could affect balance. In summary, two elements are involved in the explanation of vertebral dysfunction: the increase in spine height, related to increased intervertebral discs volume and paravertebral muscles atrophy, which plays a major role in posture. However, we also showed a role of dental occlusion in vertebral and postural deconditioning. In conclusion: muscle tone, good vertebral mobility, and dental occlusion are elements to be preserve during and after an exposure to weightlessness to avoid the deleterious effects of deconditioning