Littérature scientifique sur le sujet « Suivi Lagrangien de particules (PTV) »

Cet article présente la mise en œuvre d’un modèle de mécanique des fluides numérique pour évaluer les performances de décantation de trois bassins de stockage des eaux pluviales situés dans le sud-ouest de l’Allemagne et qui ne respectent pas les règles de l’art allemandes (rapport longueur sur largeur trop petit, entrée en virage et présence d’un siphon en sortie). Après la modélisation hydraulique 3D de l’écoulement, un suivi lagrangien des particules en suspension est mis en œuvre afin d’évaluer l’abattement des bassins pour l’ensemble des vitesses de chute. La comparaison avec la méthode de Hazen permet de montrer que cette dernière est très imprécise pour évaluer les performances de décantation d’un bassin. En matière de conception, cette étude permet de montrer que les performances peuvent être améliorées en distribuant le débit d’entrée sur plusieurs orifices ou bien en mettant en place un déflecteur.

Le suivi Lagrangien de particules (en anglais Particle Tracking Velocimetry ou PTV) représente une technique fondamentale dans l'étude de la dynamique des fluides, permettant l'observation des champs d'écoulement ainsi que l'analyse et la quantification du mouvement et de la distribution des fluides dans un espace donné. Cette thèse répond à la demande croissante de systèmes PTV en temps réel et à haute vitesse dans des environnements de plus en plus complexes en intégrant des architectures matérielles avancées et des techniques de modélisation à l'échelle du système. La contribution de cette thèse a des implications importantes tant pour la recherche théorique que pour les applications pratiques. L'intégration réussie de la modélisation à l'échelle du système avec des architectures matérielles telles que les FPGA et les SoC fournit une base solide pour le développement de systèmes en temps réel à haute performance dans des domaines où la latence réduite et un débit élevé sont essentiels. Deux approches distinctes d'Ingénierie Dirigée par les Modèles (MDE) sont étudiées dans cette recherche pour les systèmes PTV : la première basée sur le modèle Réseau de Processus Réactifs (RPN) utilisant LabVIEW FPGA, et la deuxième exploitant le Langage de Modélisation de Systèmes (SysML) pour le modèle d'application, couplé à l'Open Computing Language (OpenCL) pour l'exécution de la plateforme. Un modèle formel RPN a fourni une base rigoureuse pour l'analyse du système, facilitant la spécification précise des interactions entre les composants. La faisabilité des méthodologies proposées a été validée par le développement et les tests du prototype initial sous LabVIEW. Sur cette base, un modèle SysML a été introduit et intégré avec des architectures multi-SoC, démontrant des améliorations substantielles en termes de rapidité d'exécution et d'évolutivité. Des architectures de traitement parallèle et des méthodologies sont mises en œuvre pour optimiser la concurrence et le débit du système, éléments essentiels pour répondre aux exigences des applications PTV en temps réel. Les résultats expérimentaux montrent que le système respecte le cahier des charges en termes de vitesse (nombre d'images par seconde) et de nombre de particules par image, tout en maintenant une précision dans le suivi des mouvements des particules dans des environnements à grande échelle de flux d'air. De plus, les résultats de cette thèse vont au-delà des applications PTV, offrant des contributions potentielles aux systèmes complexes de traitement d'images en temps réel
Particle Tracking Velocimetry (PTV) represents a pivotal technique in the study of fluid dynamics, enabling the observation of flow fields, as well as the analysis and quantification of fluid movement and distribution in a given location. This thesis addresses the growing demand for real-time, high-speed PTV systems in increasingly complex environments by integrating advanced hardware architectures and system-level modeling techniques.The contribution of this thesis holds significant implications for both theoretical research and practical applications. The successful integration of system-level modeling with hardware architectures such as FPGAs and SoCs provides a blueprint for developing high-performance real-time systems in fields where low latency and high throughput are critical. Two distinct Model-Driven Engineering (MDE) approaches are examined in this research for PTV system: one based on the Reactive Process Network (RPN) model utilizing LabVIEW FPGA, and another leveraging System Modeling Language (SysML) for the application model paired with Open Computing Language (OpenCL) for platform execution. A formal RPN model provided a rigorous foundation for system analysis, facilitating the precise specification of component interactions within the system. The feasibility of the proposed methodologies was validated through the development and testing of the initial LabVIEW prototype. Building on this foundation, a SysML-based model was introduced and integrated with multi-SoC architectures, demonstrating substantial improvements in execution speed and scalability. Parallel processing architectures and methodologies are implemented to optimize system concurrency and throughput, which are crucial for meeting the demanding requirements of real-time PTV applications.The experimental results demonstrate that the system meets the specifications in terms of speed (frames per second) and the number of particles per image, while maintaining accuracy in tracking particle movements in large-scale airflow environments. In addition, the findings of this thesis extend beyond PTV applications, offering potential contributions to complex systems in real-time image processing

L'objectif de recherche développé dans cette thèse est d'initier une méthode de conception des dispositifs de captage des polluants d'usinage basée sur la prédiction par simulation numérique des écoulements d'air et de particules induits par les machines tournantes.
La recherche des modèles numériques les mieux adaptés aux écoulements rencontrés s'est conduite en deux étapes. Sur la base de recherches bibliographiques et d'expérimentations numériques, la première étape démontre l'intérêt et la faisabilité de la simulation des grandes échelles sous-résolue en paroi (ou VLES pour Very Large Eddy Simulation), couplée au suivi lagrangien de particules, pour modéliser les écoulements diphasiques d'usinage, et rendre compte finement de l'interaction particules-turbulence.
Dans la seconde étape, une importante campagne expérimentale, menée sur un banc d'essai original représentatif d'une opération d'usinage, sert de base pour valider définitivement les modèles retenus. Dans le dispositif réalisé, un jet de particules stable et de débit contrôlé est créé en poussant dans une buse des microbilles de verres sphériques contre un cylindre en rotation. L'écoulement de la phase particulaire dans le banc d'essai est caractérisé par analyseur de particules phase Doppler (PDPA), et le champ de vitesse de la phase gazeuse par vélocimétrie par image de particules (PIV), cette dernière technique nécessitant le développement d'un code spécifique pour discriminer les phases en présence.
La comparaison des mesures et des résultats de simulation ouvre des perspectives nouvelles concernant l'applicabilité industrielle de la simulation des grandes échelles aux écoulements multiphasiques.

Les méthodes de suivi de particules sont couramment utilisées en mécanique des fluides de par leur propriété unique de reconstruire de longues trajectoires avec une haute résolution spatiale et temporelle. De fait, de nombreuses applications industrielles mettant en jeu des écoulements gaz-particules, comme les turbines aéronautiques utilisent un formalisme Euler-Lagrange. L’augmentation rapide de la puissance de calcul des machines massivement parallèles et l’arrivée des machines atteignant le petaflops ouvrent une nouvelle voie pour des simulations qui étaient prohibitives il y a encore une décennie. La mise en oeuvre d’un code parallèle efficace pour maintenir une bonne performance sur un grand nombre de processeurs devra être étudié. On s’attachera en particuliers à conserver un bon équilibre des charges sur les processeurs. De plus, une attention particulière aux structures de données devra être fait afin de conserver une certaine simplicité et la portabilité et l’adaptabilité du code pour différentes architectures et différents problèmes utilisant une approche Lagrangienne. Ainsi, certains algorithmes sont à repenser pour tenir compte de ces contraintes. La puissance de calcul permettant de résoudre ces problèmes est offerte par des nouvelles architectures distribuées avec un nombre important de coeurs. Cependant, l’exploitation efficace de ces architectures est une tâche très délicate nécessitant une maîtrise des architectures ciblées, des modèles de programmation associés et des applications visées. La complexité de ces nouvelles générations des architectures distribuées est essentiellement due à un très grand nombre de noeuds multi-coeurs. Ces noeuds ou une partie d’entre eux peuvent être hétérogènes et parfois distants. L’approche de la plupart des bibliothèques parallèles (PBLAS, ScalAPACK, P_ARPACK) consiste à mettre en oeuvre la version distribuée de ses opérations de base, ce qui signifie que les sous-programmes de ces bibliothèques ne peuvent pas adapter leurs comportements aux types de données. Ces sous programmes doivent être définis une fois pour l’utilisation dans le cas séquentiel et une autre fois pour le cas parallèle. L’approche par composants permet la modularité et l’extensibilité de certaines bibliothèques numériques (comme par exemple PETSc) tout en offrant la réutilisation de code séquentiel et parallèle. Cette approche récente pour modéliser des bibliothèques numériques séquentielles/parallèles est très prometteuse grâce à ses possibilités de réutilisation et son moindre coût de maintenance. Dans les applications industrielles, le besoin de l’emploi des techniques du génie logiciel pour le calcul scientifique dont la réutilisabilité est un des éléments des plus importants, est de plus en plus mis en évidence. Cependant, ces techniques ne sont pas encore maÃotrisées et les modèles ne sont pas encore bien définis. La recherche de méthodologies afin de concevoir et réaliser des bibliothèques réutilisables est motivée, entre autres, par les besoins du monde industriel dans ce domaine. L’objectif principal de ce projet de thèse est de définir des stratégies de conception d’une bibliothèque numérique parallèle pour le suivi lagrangien en utilisant une approche par composants. Ces stratégies devront permettre la réutilisation du code séquentiel dans les versions parallèles tout en permettant l’optimisation des performances. L’étude devra être basée sur une séparation entre le flux de contrôle et la gestion des flux de données. Elle devra s’étendre aux modèles de parallélisme permettant l’exploitation d’un grand nombre de coeurs en mémoire partagée et distribuée
The complexity of these new generations of distributed architectures is essencially due to a high number of multi-core nodes. Most of the nodes can be heterogeneous and sometimes remote. Today, nor the high number of nodes, nor the processes that compose the nodes are exploited by most of applications and numerical libraries. The approach of most of parallel libraries (PBLAS, ScalAPACK, P_ARPACK) consists in implementing the distributed version of its base operations, which means that the subroutines of these libraries can not adapt their behaviors to the data types. These subroutines must be defined once for use in the sequential case and again for the parallel case. The object-oriented approach allows the modularity and scalability of some digital libraries (such as PETSc) and the reusability of sequential and parallel code. This modern approach to modelize sequential/parallel libraries is very promising because of its reusability and low maintenance cost. In industrial applications, the need for the use of software engineering techniques for scientific computation, whose reusability is one of the most important elements, is increasingly highlighted. However, these techniques are not yet well defined. The search for methodologies for designing and producing reusable libraries is motivated by the needs of the industries in this field. The main objective of this thesis is to define strategies for designing a parallel library for Lagrangian particle tracking using a component approach. These strategies should allow the reuse of the sequential code in the parallel versions while allowing the optimization of the performances. The study should be based on a separation between the control flow and the data flow management. It should extend to models of parallelism allowing the exploitation of a large number of cores in shared and distributed memory

Les convoyeurs électrostatiques à ondes progressives (COP) et stationnaires (COS) se présentent comme des moyens avantageux pour manipuler et transporter efficacement des particules sur une surface. L’objectif de cette thèse est d’étudier le comportement de particules diélectriques micrométriques sur ces systèmes. Les études expérimentales commencent par la caractérisation granulométrique et optique des particules et l’analyse de leur charge. Ensuite, l’efficacité de déplacement des particules par les deux types de convoyeurs est étudiée dans différentes conditions. Par ailleurs, les trajectoires des particules sont visualisées en utilisant une caméra ultra rapide. Un post-traitement des images obtenues en utilisant la vélocimétrie par suivi de particules (PTV) est mené pour calculer et étudier la vitesse des particules en fonction de différents paramètres. Les études théoriques et numériques menées avaient pour objectif d’étudier les ondes du potentiel électrique, la variation spatio-temporelle du champ électrique, et le bilan des forces mises en jeu. La dernière partie concerne la modélisation des trajectoires et le calcul numérique de la vitesse moyenne, ainsi que de la distance de déplacement des particules. Les résultats obtenus par modélisation sont en accord avec les observations et les calculs expérimentaux. Plusieurs modes de mouvement sont obtenus en fonction de la fréquence, la tension, la charge et la taille des particules. Les particules sont transportées plus efficacement dans le COP lorsqu’elles sont en mode synchrone sautillant. L’augmentation du nombre de phases permet à la fois de minimiser l’effet des ondes harmoniques inverses et d’augmenter la vitesse de propagation de l’onde directe ; cela mène à un déplacement plus rapide et plus loin des particules dans une seule direction, ce qui augmente l’efficacité du système
Traveling and standing wave electrostatic conveyors (TWC and SWC) are presented as advantageous techniques to effectively manipulate and transport particles on a surface. The aim of this work is to study the behavior of micrometer particles on these systems. Experimental studies begin with granulometric and optical characterization of particles and the measurement of their charge. Then, the particles displacement efficiency in both types of conveyors is studied under different conditions. In addition, the trajectories of the particles are visualized using high speed camera. The post-processing of the obtained images using Particle Tracking Velocimetry technique (PTV) is carried out to calculate and study the particles mean velocity and how it is affected by different parameters. The theoretical and numerical studies carried out aim to study the electric potential waves, the spatial and temporal variation of the electric field and the balance of the forces acting on particles. The last part concerns the modeling of particles trajectories and the numerical computation of their average velocity and displacement distance. The results obtained by modeling are in good agreement with the experimental observations and calculations. Several modes of movement are obtained depending on frequency, applied voltage value, as well as particle charge and size. Particles are transported more efficiently in the TWC when they are in synchronous hopping mode. Increasing the number of phases can minimize the effect of the backward harmonic waves and increase the speed of propagation of the forward wave that may help the particles to move faster and farther in one direction and lead to better displacement efficiency

Ce travail de thèse part d’un constat : lors de l’augmentation de la taille des bioréacteurs, des baisses significatives de performances sont observées lors de certaines cultures industrielles. Dans ces cultures, la diminution de la qualité du mélange entre la solution d’alimentation en substrat et le milieu de culture est considérée comme étant l’une des causes principales de la diminution des performances lors de l’extrapolation des bioréacteurs. L’objectif de ce travail de thèse a alors été d’étudier le mélange dans les bioréacteurs de type cuve agitée afin d’analyser les interactions potentielles entre mélange et réaction biologique. L’étude du mélange a été réalisée en utilisant la Mécanique des Fluides Numériques. Deux simulations ont été réalisées : une simulation basée sur les équations de Navier-Stokes en moyenne de Reynolds (RANS), et une simulation des grandes échelles ou Large Eddy Simulation. La première étape de ce travail a été de valider les résultats des deux simulations réalisées avec des données expérimentales disponibles dans le jet de l’agitateur. La comparaison des données expérimentales et numériques montrent qu’une simulation permet de résoudre l’hydrodynamique avec une excellente précision, elle a donc été utilisée pour caractériser le mélange au sein de la cuve. Un traçage numérique a été réalisé afin notamment d’étudier l’influence de la position du point d’injection sur le mélange. Simultanément à l’injection des traceurs, un suivi lagrangien de particules a également été réalisé dans le but d’étudier les variations de l’environnement que peuvent expérimenter des microorganismes
This study is based on a observation : when the size of a bioreactor increases, the biological production performances tend to decrease for some industrial cultures. This decrease is due in part to the reduction of the mixing efficiency with the scale-up of the bioprocess. Thus, the aim of this thesis was to study the mixing process in a bioreactor and to analyse the interactions between mixing and biological reactions. The mixing study was performed using Computational Fluid Dynamics. Two kinds of simulation were used : a Reynolds-Averaged Navier-Stokes simulation and a Large Eddy Simulation. The first step was to assess the numerical hydrodynamics of the two simulations from results obtained by Particule Image Velocimetry experiments in the impeller discharge of the stirred tank used. These first results have shown that the Large Eddy Simulation solve with an excellent accuracy the hydrodynamics, so the LES was used to caracterize mixing in the tank. The mixing of an inert scalar was followed to study the influence of the injection location on the mixing process. At the same time, a Lagrangian particle tracking was performed to study the variation of their microenvironment that can be observed by microorganisms

La thèse vise à qualifier les performances de confinement de rideaux d’air vis-à-vis de pollution particulaire. Plus précisément, elle vise à mettre en place, caractériser et améliorer des barrières de confinement particulaire par des jets d'air plans placés en périphérie de machines tournantes abrasives utilisées pour décaper les surfaces amiantées
The thesis aims to qualify the containment barriers for particles. Specifically, it aims to develop, characterize and improve particulate confinement barriers by jets of air placed at the periphery of abrasive rotating machines used to scour the surfaces containing asbestos

Les particules atmosphériques sont un sujet d’importance dans plusieurs couches de la société. Leur présence dans l’atmosphère est aussi bien une problématique météorologique et climatique qu’un enjeu de santé publique, notamment de par l’accroissement des maladies cardiovasculaires. En particulier, les particules radioactives émises dans l’atmosphère à la suite d’un accident nucléaire peuvent polluer les écosystèmes durant plusieurs années. Le récent accident du Centre Nucléaire de Production d’Électricité de Fukushima Daiichi en 2011 nous rappelle que, même aujourd’hui, le risque zéro n’existe pas. À la suite d’une émission dans l’atmosphère, les particules nanométriques diffusent et s’agglomèrent alors que les particules de plusieurs micromètres sédimentent. Les tailles intermédiaires vont, quant à elles, pouvoir être transportées à l’échelle globale dont le mécanisme principal de rabattement au sol provient des interactions avec les nuages et les précipitations. Afin d’améliorer la connaissance de la contamination des sols consécutive à de tels accidents, la compréhension de la capture des aérosols par les nuages est alors essentielle. Dans ce but, un modèle microphysique est implémenté dans ce travail, considérant les mécanismes microphysiques qui interviennent dans la capture des aérosols par des gouttes de nuage, notamment les forces électrostatiques dès lors que les radionucléides ont pour propriété de fortement se charger. Des mesures en laboratoire sont alors réalisées à l’aide de In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), expérience conçue dans ce travail, afin de comparer le modèle développé aux observations, et ce, toujours à une échelle microphysique où les paramètres d’influence régissant la capture au sein du nuage sont contrôlés. Par ailleurs, des systèmes de charge des particules et des gouttes sont conçus pour soigneusement maîtriser les charges électriques, tandis que l’humidité relative est précisément pilotée. Les nouvelles connaissances de la capture des particules par des gouttes de nuage qui en découlent, concernant entre autres les effets électrostatiques, sont ensuite incorporées au modèle de nuage convectif DESCAM (Detailed SCAvenging Model). Ce modèle à microphysique détaillée décrit un nuage de sa formation jusqu’aux précipitations, permettant d’étudier l’impact des nouvelles données sur le rabattement des particules à méso-échelle. De plus, des modifications sont apportées à DESCAM pour élargir l’étude aux nuages stratiformes qui constituent en France, la majorité des précipitations. À terme, cette étude ouvre la voie à l’amélioration de la modélisation du rabattement atmosphérique des particules, et notamment à la contamination des sols dans les modèles de crise de l’Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire
Atmospheric particles are a key topic in many social issues. Their presence in this atmosphere is a meteorological and climatic subject, as well as a public health concern since these particles are correlated with the increase of cardiovascular diseases. Specially, radioactive particles emitted as a result of a nuclear accident can jeopardise ecosystems for decades. The recent accident at the Fukushima Daiichi’s nuclear power plant in 2011 reminds us that the risk, even extremely unlikely, exists.After a release of nuclear material in the atmosphere, nanometric particles diffuse and coagulate, while micrometric particles settle due to gravity. Nevertheless, the intermediate size particles can be transported at a global scale when the main mechanism involved in their scavenging comes from the interaction with clouds and their precipitations. To enhance the ground contamination knowledge after such accidental releases, the understanding of the particle in-cloud collection is thus essential. For this purpose, a microphysical model is implemented in this work, including the whole microphysical mechanisms acting on the particle collection by cloud droplets like the electrostatic forces since radionuclides are well-known to become significantly charged. Laboratory measurements are then conducted through In-CASE (In-Cloud Aerosols Scavenging Experiment), a novel experiment built in this work, to get comparisons between modelling and observations, once again at a microphysical scale where every parameter influencing the particle in-cloud collection is controlled. Furthermore, two systems to electrically charge particles and droplets are constructed to set the electric charges carefully while the relative humidity level is also regulated. These new research results related to the particle collection by cloud droplets following the electrostatic forces, among others effects, are thus incorporated into the convective cloud model DESCAM (Detailed SCAvenging Model). This detailed microphysical model describes a cloud from its formation to the precipitations, allowing the study at a meso-scale of the impact of the new data on the particle scavenging. Moreover, some changes are made in DESCAM to expand the study to stratiform clouds since the major part of the French precipitations come from the stratiform ones. Finally, this work paves the way for the enhancement of the atmospheric particle scavenging modelling, including the ground contamination in the crisis model used by the French Institute in Radiological Protection and Nuclear Safety