Thèses sur le sujet « Tracers dispersion »

Lors de rejets chroniques ou accidentels de tritium des installations nucléaires dans l’eau de mer ou via les fleuves, la dispersion des radionucléides dans l’environnement marin est soumise à des processus de dispersion multiples. Ces processus dépendent de la zone considérée et des forçages tels que la marée, le vent, les flux de chaleurs et d’eau douce. Prédire la dispersion du tritium dans le golfe de Gascogne nécessite la prise en compte de l’ensemble de ces processus et des différents apports que représentent les eaux de surface de l’Atlantique Nord, les rejets des installations nucléaires, les entrées d’eau douces et les échanges avec l'atmosphère. L'objectif général de cette thèse est d'améliorer la connaissance sur l’hydrodynamisme du golfe de Gascogne, en couplant la mesure in-situ d’un traceur des masses d’eau : le tritium, avec un modèle hydrodynamique de dispersion (modèle MARS3D). Dans ce but, prélèvements ont été effectuées dans le golfe de Gascogne et dans les deux principaux contributeurs continentaux de tritium : la Loire et la Gironde. L’utilisation conjointe de la salinité et du tritium en tant que traceurs des eaux continentales a permis de différencier de manière innovante les apports provenant de ces deux fleuves à l'échelle du golfe. Les stocks mesurés et simulés de tritium au sein du plateau ont permis une première estimation du temps de résidence des masses d’eau continentales
During chronic or accidental releases of tritium from nuclear facilities to seawater or through river discharges, the dispersion of radionuclides in the marine environment is subject to multiple dispersion processes. These processes depend on the area under consideration and forcings such as tide, wind, heat and freshwater flows.Predicting the dispersion of tritium in the Bay of Biscay requires taking into account all these processes and the various inputs: the North Atlantic surface waters, discharges from nuclear facilities, freshwater inputs and exchanges with the atmosphere. The main objective of this thesis is to improve the knowledge on the hydrodynamics of the Bay of Biscay by coupling in-situ measurements of a water masses tracer: the tritium, with a hydrodynamic dispersion model (MARS 3 D).To achieve this goal, samplings were carried out in the Bay of Biscay and the two main continental contributors of tritium: the Loire and Gironde rivers.The combined use of salinity and tritium as tracers of continental waters makes it possible to differentiate into an innovative way the inputs from these two rivers at the scale of the continental shelf. The measured and simulated stocks of tritium within the shelf provided a first estimate of the residence time of continental water in the Bay of Biscay

2012 - 2013
The erosion, transport and deposition of pebbles in rivers have often been studied by considering the motion of tracer particles. There are reports of bedload tracing programs in field and laboratory since the late 1930s. The theoretical basis for the study of the dispersal of sediment tracer particles was delineated for the first time in 1950 by Einstein, who formulated the problem in terms of a standard 1D random walk in which each particle moves in a series of steps punctuated by waiting times. Subsequent to Einstein’s original work on tracers, the study of random walks has been extended to the case of continuous time random walks (CTRW). CTRW, accompanied by appropriate probability distribution functions (PDFs) for walker step length and waiting time, yields asymptotically the standard advectiondiffusion equation (ADE) for thin-tailed PDFs, and the fractional advection-diffusion equation (fADE) for heavy-tailed PDFs, the latter allowing the possibilities of subdiffusion or superdiffusion of particles, which is often referred as non-local behavior or anomalous diffusion. In latest years, considerable emphasis has been placed on non-locality associated with heavy-tailed PDFs for particle step length. This appears to be in part motivated by the desire to construct fractional advective-diffusive equations for pebble tracer dispersion corresponding to the now-classical fADE model. Regardless of the thin tail of the PDF, the degree of non-locality nevertheless increases with increasing mean step length. In the thesis, we firstly consider the general case of 1D morphodynamics of an erodible bed subject to bedload transport analysing the effects of non-locality mediated by both heavyand thin-tailed PDFs for particle step length on transient aggradational- degradational bed profiles. Then, we focus on tracers. (i) We show that the CTRW Master Equation is inappropriate for river pebbles moving as bed material load and (ii) by using the Parker-Paola-Leclair (PPL) framework for the Exner equation of sediment conservation, which captures the vertical structure of bed elevation variation as particles erode and deposit, we develop a new ME for tracer transport and dispersion for alluvial morphodynamics. The new ME is derived from the Exner equation of sediment continuity and it yields asymptotic forms for ADE and fADE that differ significantly from CTRW. It allows a) vertical dispersion, as well as streamwise advection-diffusion, and b) mean waiting time to vary in the vertical. We also show that vertical dispersion is nonlocal (subdiffuive), but cannot be expressed with fractional derivatives. Vertical dispersion is the likely reason for the slowdown of streamwise advection of tracer pebbles observed in the field, which is the key result of our modeling when co-evolution of vertical and streamwise dispersion are considered. [edited by author]
XII n.s.

Etude de la dispersion longitudinale par charriage et en suspension des particules d'un ecoulement turbulent a surface libre a l'aide de la theorie des processus aleatoires. Les expressions generales des modeles aleatoires unidimensionnels sont remaniees de facon a englober le transport en suspension. On examine plusieurs modeles. On propose d'autres expressions analytiques plus adaptees a la nature non-constante des probabilites de deplacement du grain ou fonctions d'intensite de changement d'etat cinematique. Enfin, on presente la technique de tracage utilisee pour verifier experimentalement la theorie probabiliste du transport de sediments

Les régimes dynamiques dans les basses couches de l'atmosphère à l'île de la Réunion sont conditionnés par l'action du relief et du rayonnement sur l'écoulement synoptique. L'île est située en permanence dans le flux des alizés de sud-est et son relief élevé, culminant à 3000 m dans le centre de l'île et 2600 m au sud, constitue un obstacle important pour l'écoulement moyen. Le relief, le chauffage différentiel des pentes et le contraste thermique avec l'océan influent sur les échanges locaux entre la couche limite marine et la troposphère libre.L'analyse des phénomènes complexes de l'écoulement atmosphérique au niveau de l'île a pour but initial de caractériser les transferts de polluants émis localement. Cette étude a deux applications : * La première rentre dans le cadre préparatoire à la mise en place, à 2200 m d'altitude sur le Piton Maïdo, de l'observatoire atmosphérique de l'OPAR, à l'horizon 2011. L'objectif est de comprendre les circulations locales induites par le relief et les transports associés afin de discriminer d'éventuelles pollutions par les sources locales sur le signal qui sera mesuré in situ au sommet du Maïdo.* La seconde vise à étudier la diffusion des panaches volcaniques du Piton de la Fournaise. L'éruption majeure d'avril 2007 du volcan réunionnais a montré que des panaches pouvaient générer d'importantes pollutions dans diverses parties de l'île allant jusqu'à poser de réels problèmes environnementaux et de santé publique.Ces applications s'appuient sur une étude par modélisation numérique à haute résolution des écoulements atmosphériques dans les basses couches au niveau de l'île, au moyen du modèle météorologique de recherche MésoNH, permettant de conduire un ensemble de simulations sur cas idéalisés puis sur cas réels avec diffusion de traceurs passifs.

La dispersion d'un traceur passif (sf#6) a partir du site du commissariat de l'energie atomique (cea - grenoble) a ete etudiee a l'aide de simulations numeriques et des campagnes experimentales. Dans ce travail on a utilise comme site d'etude l'agglomeration grenobloise, puisque c'est un cas typique de relief complexe au confluent de vallees. Les releves experimentaux de mesure de concentration de traceur en divers points de la ville ont ete compares avec les resultats des modeles numeriques bases sur la solution analytique de l'equation de transport-diffusion. Les donnees meteorologiques obtenues a partir d'un pylone ont servi a determiner un spectre d'energie et des valeurs de rugosite. Les donnees meteorologiques, celles d'un sodar et d'un radiosondage ont determine les conditions initiales utilisees par le code submeso. Ce code est base sur la simulation numerique des grandes echelles (les) par la solution des equations de mecanique des fluides, avec resolution explicite des grandes echelles et modelisation des echelles sous-maille. Pour la validation du modele submeso on a simule le passage d'un ecoulement au dessus d'un saut de rugosite et on a compare les resultats avec ceux obtenus experimentalement par bradley. On verifie aussi le comportement du scalaire passif dans une atmosphere convective en se basant sur l'experience de laboratoire de willis et deardorff. Les resultats des modeles gaussiens et les montrent un bon accord avec ceux des campagnes experimentales de dispersion de sf#6 sur la ville de grenoble. Cependant la les possede les avantages supplementaires d'un calcul tridimensionnel des champs de vitesses, temperature, pression et l'energie cinetique dans tout le domaine de calcul. On montre que la les peut etre utilisee pour definir une statistique de dispersion applicable a des conditions meteorologiques particulieres du site d'emission. Cette statistique pourrait etre introduite dans les modeles gaussiens avec une prise en compte des classifications de types de journees.

On étudie le transport et la dispersion hydrodynamique d’un traceur passif et/ou d’une suspension de particules dans deux fractures modèles avec deux parois lisses ou avec une distribution aléatoire d’obstacles dans l’ouverture. On utilise un écoulement oscillant d’un fluide newtonien afin d’observer les effets sur la dispersion de la réversibilité du déplacement. On caractérise de manière quantitative l’influence des paramètres caractéristiques de l’écoulement: période T et amplitude A des oscillations et temps caractéristique τ_m de diffusion moléculaire sur l’épaisseur.Dans le cas de parois lisses, on montre que les régimes de dispersion sont déterminés par le rapport τ_m/T . Pour τ_m/T≤2, le régime de dispersion de Taylor est dominant et irréversible à l’échelle globale. Pour τ_m/T≥20, on a un régime partiellement réversible pour lequel le mélange reste diffusif à l’échelle globale mais où, localement, la distribution des particules de traceur dans l’épaisseur suit les oscillations de la vitesse locale v_x (z,t) . Dans ce cas, il existe une composante purement convective et réversible de la dispersion.Dans le cas d’une cellule rugueuse, le désordre induit par les obstacles fait apparaitre une composante de dispersion géométrique quand τ_m/T≤0,6, pour laquelle la dispersivité normalisée par l’amplitude l_d/A ne dépend pas de la période T. On observe le régime de dispersion de Taylor dans une gamme 〖0,8≤τ〗_m/T≤1 dépendant de l’amplitude de l’oscillation. Lorsque τ_m/T≥20, on observe le régime de dispersion partiellement réversible déjà observé précédemment dans la cellule lisse. En comparant ces mesures avec celles obtenues par des techniques complémentaires (écho et transmission), on a pu séparer la composante irréversible de la dispersion de la composante réversible associée à des chenaux macroscopiques d’écoulement préférentiel dus à la géométrie de la fracture. L’influence sur la dispersion de particules de 40 µm de diamètre en suspension dans l’écoulement oscillant a été ensuite étudiée dans la cellule lisse. La mesure globale de dispersion a mis en évidence les mêmes régimes d’écoulement qu’en l’absence de particules avec des domaines d’existence déterminés, comme dans ce cas, par la valeur du rapport τ_m/T.Pour mieux comprendre l’origine microscopique des résultats, nous avons suivi les trajectoires individuelles des particules dans un écoulement oscillant. Leur mouvement et la distribution de leurs vitesses ont été mesurés dans plusieurs couches à différentes distances dans l’épaisseur. On observe que les particules suivent les lignes de courant et que le profil de leurs vitesses dans l’épaisseur a la forme parabolique d’un profil de Poiseuille. Par ailleurs, nous avons comparé les distributions des particules après un certain nombre d’oscillations à celles au temps initial et observé, pour de longues périodes T, une migration des particules vers les parois de la cellule. Enfin, certaines particules présentant une réversibilité cinématique de leur mouvement, avec des allers retours suivant la même trajectoire, même en présence d’interactions entre elles.Enfin, en augmentant la concentration des particules, on observe une structuration de la suspension en bandes perpendiculaires à l’écoulement. On a étudié la longueur d’onde λ de cette instabilité en fonction de paramètres géométriques (épaisseur H et largeur de la cellule, diamètre des particules), physiques (viscosité et densité du fluide, densité des particules) et de l’écoulement (variation sinusoïdale ou carrée du débit, amplitude A et période T). La longueur d’onde normalisée λ/H augmente linéairement avec l’amplitude normalisée A/H mais est constante avec T et H et avec le diamètre des particules. Au niveau local, l’instabilité correspond à des variations périodiques de concentration suivant la largeur de la cellule et présentes dans toute l’épaisseur
We study the transport and the hydrodynamical dispersion of a passive tracer and/or a suspension of non-Brownian particles in two model fractures with smooth walls or a random distribution of obstacles in the aperture. We use an oscillating flow of a Newtonian fluid in order to study the effects of the reversibility of the displacement on dispersion. We characterize quantitatively the effects of the characteristic parameters of the flow: period T and amplitude A of the oscillations, and characteristic time τ_m of molecular diffusion across the thickness of the cell.In the case of smooth walls, we show that the dispersion regimes are determined by the value of the ratio τ_m/T. For τ_m/T≤2, the Taylor dispersion mechanism is dominant and irreversible at the global scale. For τ_m/T≥20, one has a partly reversible regime in which mixing remains diffusive at the global scale but, locally, the distribution of the particles in the thickness of the cell follows the oscillations v_x (z,t) of the local velocity. In this case, there exists a purely convective and reversible dispersion component.In the case of a cell with rough walls, flow disorder due to the obstacles results in a geometrical dispersion component when τ_m/T≤0,6, for which the dispersivity normalized by the amplitude l_d/A does not depend on the period T. The Taylor dispersion regime is observed in a range 0,8≤τ_m/T≤1 depending on the amplitude of the oscillation. When τ_m/T≥20, one obtains the partly reversible dispersion regime already observed previously for the smooth cell. Comparing these results to those obtained by complementary techniques (echo and transmission) allows us to separate the irreversible component of dispersion from the reversible one associated to macroscopic preferential flow channels due to the fracture geometry.The influence on dispersion of a suspension of 40 µm diameter non Brownian particles in the oscillating flow has then be studied in the cell with smooth walls. The global tracer dispersion measurements have shown the same dispersion regimes than without particles with domains of existence determined, like in this latter case, by the value of the ratio τ_m/T.In order to understand better the origin of these results at the microscopic scale, we tracked the individual trajectories of the particles in an oscillating flow. Their motion and the distribution of their velocities have been measured in several layers at different distances from the walls in the cell thickness. The particles are observed to follow the flow liens; the profile of their velocities in the thickness displays the parabolic shape of a Posieuille profile. Moreover, we compared the distribution of the particles after a certain number of oscillations to those at the initial time and observed, for long periods T, a migration of the particles towards the vicinity of the cell walls. Moreover, the motion of some particles display a kinematic reversibility and follow the same trajectory for both directions of the flow, even when there are interactions with the others.Finally, when the concentration of the particles is increased, one observes a structuration of the suspension into bands perpendicular to the flow. The wavelength λ of this instability has been studied as a function of geometrical (thickness H and width of the cell, particle diameter) and physical parameters (viscosity and density of the fluid, particle density) and of the characteristics of the flow (sine or square wave variation of the flow, amplitude A et period T). The normalized wavelength λ/H increases linearly with the normalized amplitude A/H but is constant with T and H and with the particle diameter. At the local level, the instability corresponds to periodic variations of the particle concentration along the length of the cell which extend across its whole thickness H
Se estudió el transporte y dispersión hidrodinámica de un trazador pasivo y/o de una suspensión de partículas en una fractura de paredes lisas y en otra, con una distribución aleatoria de obstáculos en su espesor. Se utiliza un flujo oscilante de un fluido newtoniano, permitiéndonos observar los efectos de la reversibilidad del desplazamiento sobre el fenómeno. En todos los casos se buscó cuantificar la influencia de los parámetros característicos del flujo: el período T y la amplitud A de las oscilaciones, el tiempo característico de difusión molecular sobre el espesor τ_m, la concentración y el tamaño de las partículas. En el caso de paredes lisas, se puso en evidencia que los regímenes de dispersión están gobernados por la relación τ_m /T. Se encontró que, a bajos τ_m /T ≤ 2, el régimen de dispersión de Taylor es dominante y, a escala global, es irreversible. Para τ_m /T ≥ 20 encontramos un régimen parcialmente reversible donde la mezcla continúa siendo difusiva a escala global; sin embargo, localmente, las simulaciones numéricas de tipo Monte Carlo mostraron que la distribución de partículas de trazador en el espesor sigue las oscilaciones de la velocidad local v_x (z, t). En este caso, el coeficiente de dispersión tiene una componente puramente convectiva, que es reversible. En el caso de una celda rugosa, el desorden introducido por los obstáculos hizo aparecer la dispersión geométrica a τ_m /T ≤ 0,6, donde la dispersividad ldg varía con la amplitud y no depende del período de la oscilación del flujo. El régimen de dispersión de Taylor se detectó en un intervalo de la relación entre los tiempos característicos más estrecho que en el caso de celda lisa, 〖0,8≤τ〗_m/T≤1, este rango depende de la amplitud de la oscilación. También se encontró el régimen de dispersión parcialmente reversible, para τ_m /T ≥ 20, correspondiendo con lo visto previamente en la celda de paredes lisas. Con técnicas complementarias (eco y transmisión), se aisló la componente de la dispersión irreversible de la reversible indicando la existencia de canales de flujo macroscópicos generados por la geometría de la fractura. Luego, se estudió el efecto sobre la dispersión por la presencia de una suspensión de partículas de poliestireno de 40 μm de diámetro, en la celda de Hele-Shaw lisa, con un flujo oscilante. En la medida global de la dispersión, se encontraron básicamente los mismos regímenes que en la celda lisa. Luego, en una escala microscópica, para terminar de comprender lo que sucede en el fenómeno de dispersión, se realizó el seguimiento de las trayectorias individuales de las partículas dentro de la celda sometidas a un flujo oscilante. Se analizó el movimiento en diferentes capas del espesor y se obtuvieron las distribuciones de velocidades. Se pudo observar que, las partículas se mueven siguiendo las diferentes líneas de corriente y su perfil de velocidades mantiene la forma parabólica característica de Poiseuille. Por otro lado, se aislaron las trayectorias que presentan reversibilidad cinemática, comprobando que hay partículas que van y vienen por el mismo camino, aún en presencia de interacciones débiles entre ellas. Por último, se aumentó la concentración de partículas presentes en la suspensión y se observó que, con un flujo oscilante, la suspensión dentro de la celda se estructura formando bandas periódicas transversales al flujo. Se caracterizó la dependencia de la longitud de onda λ de esta inestabilidad en función de parámetros geométricos (apertura y ancho de la celda, diámetro de partículas); físicos (viscosidad del fluido, densidad de las partículas) y geometría de flujo (sinusoidal, onda cuadrada, T y A). Se encontró que: para cada espesor de la celda, diferente diámetro y densidad de las partículas, viscosidades del fluido, λ resulta constante con T y aumenta linealmente con A. Localmente, se observó que la inestabilidad corresponde a variaciones de la concentración de las partículas en el espesor de la celda

Les écoulements diphasiques en fracture se produisent dans de nombreuses applications industrielles et environnementales. Pour modéliser ces écoulements, il est important de connaître le rôle des caractéristiques géométriques des surfaces constituant les fractures.L’objectif de ce travail de thèse est d’étudier expérimentalement les écoulements diphasiques et la dispersion de traceurs dans des fractures réelles dont on connaît la cartographie des surfaces et d’en proposer une modélisation adéquate.L’écoulement diphasique inertiel a été modélisé à l’aide de la généralisation de la loi de Darcy couplée à l’approche de la fonction F. Le modèle proposé permet de prédire les perméabilités relatives et les saturations en fonction des débits des deux fluides avec deux paramètres d’ajustement.Les profils de concentration obtenus lors des expériences de dispersion ont été interprétés avec différents modèles afin d'évaluer leur capacité à décrire la dispersion dans les fractures et donc l’hétérogénéité de celles-ci. Les résultats montrent que le modèle stratifié, avec un seul paramètre estimé, donne des résultats satisfaisants et permet de quantifier l'hétérogénéité.Enfin, avec cinq paramètres estimés, à partir de la courbe de la concentration de traceur à la sortie des fractures, le modèle CTRW permet de décrire avec une bonne précision les profils de concentration de toutes les abscisses
The two-phase flows through fractures occur in many industrial and environmental processes.Modelling these flows needs understanding the role of geometric characteristics of the fractures surfaces. The objective of this thesis is to study experimentally the two-phase flow and the dispersion of tracers in fractures which the aperture map is known and propose a suitable model.The inertial two-phase flow model is based on the generalization of the single-phase full cubiclaw that accounts for non-Darcian effects by using the F function approach. On this approach,the presence of a second fluid is taken into account through a multiplier function introduced into the superficial velocity of each fluid. This model let us predict the relative permeability and the saturation as a function of the two fluid flows with two adjustment parameters.The concentration profiles obtained during dispersion experiments were interpreted with different models to study their ability to describe the dispersion in fractures and hence the heterogeneity of them. The results show that the classical convection-dispersion is not appropriate due to the heterogeneity of the fractures. On the other hand, the stratified model,with only one estimated parameter, gives satisfactory results and allows quantifying heterogeneity. Finally, with five estimated parameters, from the concentration curve at the outlet of the fractures, the CTRW model can describe the concentration profiles of all abscissas with good accuracy

Nous presentons des resultats experimentaux concernant la dispersion de traceurs passifs dans des experiences de turbulence bidimensionnelle entretenue. Les experiences sont realisees pour des ecoulements forces electromagnetiquement dans de minces couches de fluides stratifiees de facon stable. Les champs de vitesse sont analyses a l'aide d'une technique de velocimetrie. Dans une premiere approche, nous faisons une analyse statistique de la dispersion d'une tache de fluoresceine, successivement dans la cascade directe d'enstrophie et dans la cascade inverse d'energie, conformement aux conjectures formulees par kraichnan en 1967 a propos du mecanisme de double cascade en turbulence bidimensionnelle. Dans la cascade d'enstrophie, nous montrons que le spectre des fluctuations de concentration suit la loi de batchelor en k - 1, et que les solutions analytiques formulees par chertkov et al. Sont en tres bon accord avec nos experiences : ailes exponentielles pour les distributions de fluctuations ainsi que de ses increments, loi logarithmique pour la fonction de structure d'ordre 2. Dans la cascade inverse, nous montrons que la statistique d'ordre 2 est bien decrite par le formalisme de corrsin-obukhov. L'analyse des moments d'ordres plus eleves revele en revanche une saturation des exposants de fonction de structure vers une valeur constante. Une seconde approche est une approche lagrangienne. Elle consiste a suivre des paires de particules le long de leur trajectoires, determinees en integrant numeriquement les champs de vitesse experimentaux. Cette etude a ete realisee dans la cascade inverse d'energie. La loi hyperdiffusive de richardson r 2 t 3 est observee et un comportement fortement non-gaussien est obtenu pour les distributions des separations des paires. Le processus est temporellement auto-similaire et de fortes correlations temporelles sont presentes.

Over the previous summer I studied mixing of a passive tracer by flow in a straight cylindrical pipe, under the supervision of prof. Bernoff. The mixing process can be thought of as the successive action of advection by the fluid flow and diffusion modeled by random walks. With this method we were able to distinguish three different regimes. For short times, diffusion is more relevant than advection and we observed a Gaussian longitudinal distribution of the concentration. In an intermediate regime, advection by the shear is dominant over longitudinal diffusion and we observed a distinctively asymmetric distribution which spread much faster than would be expected by the action of diffusion alone. Finally when the tracer had completely mixed across the pipe’s cross- section, we recovered the classical Taylor regime with a longitudinal Gaussian distribution. In each regime we have analytical prediction of tracer distribution, confirmed by numerical calculation. The object of this thesis is to extend our results to curved pipes; we will start by considering curved planar pipes and helical pipes. We will try to determine if mixing in these geometries displays the same three distinctive regimes of mixing. The pipe’s curvature introduces a secondary flow in the form of a transverse recirculation with a dipolar form, discovered by Dean (1928). We believe this transverse flow should enhance mixing, which explains why curved pipes are used in cooling systems and other situations where heat exchange is relevant. Our object is to first understand existing analytical approximations to the flow in a curved pipe due to Dean and others and then to study analytically and numerically the spread of a passive scalar in these flows.

Les traceurs fluorescents présentent tous un caractère anionique ou cationique et sont donc sensibles aux phénomènes d'adsorption et de désorption. Le comportement des plus courants d'entre eux vis-à-vis des principaux constituants du sol (CaC03, silice, argile, acide humique) a été étudié sur colonnes de filtration, le lithium servant d'étalon interne. Ces mêmes traceurs ont été testés sur des portions d'aquifères de dimensions restreintes. Les résultats ont montré que leur restitution dépend plus des conditions hydrodynamiques que de leur nature elle-même. Des essais " in situ ", réalisés sur des aquifères fissurés, ont prouvé qu'il était possible, à partir de la forme des courbes de concentration en fonction du temps, de distinguer les différents modes de circulation des eaux souterraines et de calculer la dispersivité même dans les cas où le milieu n'est ni homogène, ni isotrope. La combinaison de cette dispersivité avec le rapport de la vitesse maximale sur la vitesse moyenne, permet de séparer les circulations en chenaux des circulations en milieu fissuré.

Le present travail a porte sur la dispersion de traceurs ioniques dans des solutions de polymeres s'ecoulant a travers des milieux poreux. Les proprietes rheofluidifiantes renforcent les contrastes entre zones de forte et faible vitesse. Les poreux utilises sont des empilements a simple et double porosite de billes de verre ou de grains poreux. Les fluides sont des solutions de polysaccharides semi-rigides (scleroglucane) de caracteristiques rheologiques en loi de puissance sur une large gamme de taux de cisaillement, avec des exposants dependant de la concentration. Une augmentation forte de la dispersion en transmission (analyse des variations de concentration de traceur en sortie du milieu) avec la concentration en polymere est observee. La similarite de cette variation pour les milieux a simple et a double porosite et sa dependance par rapport au nombre de peclet suggerent une relation avec des heterogeneites de permeabilite de grande taille mais correspondant a des contrastes faibles. Cette hypothese est verifiee par des mesures en echo ou on inverse le sens de l'ecoulement pendant que le front de variation de concentration est dans le poreux et ou on mesure les variations de concentration a l'entree. La comparaison avec la transmission montre une forte reversibilite partielle quand la concentration en polymere est elevee, confirmant la presence d'heterogeneites a grande echelle. Ces resultats suggerent que cette approche represente une methode tres sensible de la detection de faibles heterogeneites. Aux faibles vitesses et pour les pores de grande taille, nous observons une difference entre les coefficients de dispersion en configuration stable et instable de contrastes de densite due au developpement d'instabilites. La comparaison entre des fluides newtoniens et les solutions de polymeres demontre que le deplacement est stabilise par l'augmentation de la viscosite sans effet de la diffusion moleculaire : un critere d'apparition des instabilites est propose.

Le but de notre travail est d'analyser experimentalement et numeriquement les processus d'ecoulements de fluides et de traceurs dans des milieux fractures. Nous avons cherche a combiner des experiences sur des systemes modeles, des simulations numeriques et des experiences sur le terrain realisees dans une carriere de granit du massif central (site du mayet de montagne). Les proprietes d'ecoulement dans les formations rocheuses fractures sont tres complexes en raison de la forte heterogeneite et de la large gamme d'echelles de tailles intervenant dans ces derniers. De tels ecoulements interviennent dans des nombreux domaines tels que : geothermie artificielle, genie petrolier, nucleaire et chimique, etc. Ce travail a compris deux parties : a) etude experimentale du transport de fluide dans des fractures modeles a deux dimensions formees de deux plans paralleles (de type hele shaw) dont l'un peut avoir une surface lisse ou rugueuse (l'un des modeles a une geometrie d'ecoulement de vitesse constante et uniforme et l'autre une geometrie radiale). Nous avons utilise la dispersion de traceurs pour caracteriser la structure du champ de vitesse dans ces modeles ; les heterogeneites de l'ecoulement ont en effet une influence considerable sur les proprietes de transport de fluide dans les fractures. Cet outil nous a permis de determiner les caracteristiques geometriques des fractures (ouverture moyenne, rugosites). Des simulations locales ont ete effectuees a partir de la resolution complete de l'equation de convection-diffusion pour analyser la dynamique d'echange entre les rugosites et l'ecoulement principal entre les plans de la fracture. Des simulations plus globales (monte carlo) ont ete realisees en geometrie radiale et lineaire pour analyser la reversibilite partielle de la dispersion; b) mesures sur une fracture naturelles dans un site granitique consistant en l'analyse simultanee des proprietes mecaniques (deformations sous contrainte), hydrauliques (distribution d'ecoulements) et de transport de traceurs en transmission sur une fracture affleurante

The characterisation of the properties of porous materials is of great importance in the effective management of natural and manmade systems. A sophisticated network model, 'Pore-Cor', of some of these properties has been previously developed. The present study has significantly extended the scope of the model's predictive capabilities. Flow and transport behaviour was examined in laboratory sand columns of various depths. These experiments examined unsaturated flow of water and conservative solute tracer transport through homogeneous sand samples. Flow through these was not homogeneous or repeatable. Experimental observations found that this may have been due to subtle random variations in packing, and the network model was shown to be able to simulate these. Solute transport of bromide was studied, applied both uniformly and from a point source. Both scenarios were modelled using a convection-dispersion equation, and it was demonstrated that the lateral component of such transport was highly significant. It was shown how convection-dispersion equation predictions of uniformly applied tracer transport might be improved by the application of the network model and a method for improving predicted lateral solute transport was outlined. It has been shown that levels of correlation in the distribution of differently sized voids within porous material may be responsible for large variations in permeability. This can make accurate modelling of permeability very difficult. A technique was developed for assessing the degree and nature of such correlations. The new method was tested on a variety of artificial and real samples and demonstrated to provide a quantitative assessment of such correlations. A method by which this could be used to improve network model simulations of materials possessing such correlation was described.

Master of Science
Department of Mechanical and Nuclear Engineering
Mohammad H. Hosni
Byron W. Jones
The 2015 Airline Traffic Data released by the Bureau of Transportation Statistics (BTS 2016), shows that the commercial flights serving the United States carried an all-time high of 895.5 million passengers in 2015, which represents an approximate 5 % increase in number of passengers from 2014. There is a potential for disease and/or contaminants spreading throughout the airliner cabin raising health risks for passengers and crewmembers onboard flight. In order to limit health risks caused by spread of disease and/or contaminants, it is necessary to understand the various factors affecting the airliner cabin environment. Ventilation effectiveness is one such factor investigated in this study. In addition, experiments were conducted using tracer gas to study the dispersion of tracer gas inside an airliner cabin. Experimental investigations were carried out inside a wide body, eleven-row Boeing 767 mockup cabin and a narrow body, five-row Boeing 737 mockup cabin. The Boeing 767 mockup cabin was constructed with actual aircraft components for air distribution to represent a real aircraft cabin, while the Boeing 737 mockup cabin is a fuselage section from an actual Boeing 737 aircraft. Thermal manikins occupied each seat of both the cabins to simulate thermal load from an average seated person. Four sets of experiments were conducted to evaluate the ventilation effectiveness and dispersion of tracer gas inside the aircraft cabin mockups. The first set of experiments investigated the ventilation effectiveness in a Boeing 767 mockup cabin. The second set of experiments determined the ventilation effectiveness at various heights and locations in a Boeing 737 mockup cabin. The third set of experiments focused on the study of dispersion of tracer gas inside a Boeing 737 mockup cabin with ventilation air. The last set of experiments aimed to study the dispersion of tracer gas inside a Boeing 737 mockup cabin with no ventilation air. The ventilation effectiveness studies were performed by using Carbon Dioxide (CO₂) as a tracer gas and applying the tracer gas decay method. The conclusion for the first set of experiments was that air is efficiently and uniformly supplied to all seat locations inside the Boeing 767 mockup cabin with no clear patterns with respect to seat locations, i.e. window versus center versus aisle observed. From the second set of experiments, it was concluded that the ventilation effectiveness is uniform throughout the Boeing 737 mockup cabin irrespective of seat locations and elevations from cabin floor. In order to determine the spread of disease and/or contaminants, a mixture of CO₂ and Helium (He) was used as a tracer gas. Tracer gas was released from particular locations inside the cabin to simulate gaseous contaminants released by a passenger and sampled at various locations throughout the cabin. The third set of experiments revealed that transport of tracer gas inside an aircraft cabin depends on the source location as well as on the relative distance of the sampling point from the source. Dispersion of tracer gas in the longitudinal direction was also observed inside the cabin. From the fourth set of experiments, it was concluded that even in the absence of ventilation air, considerable dispersion of tracer gas occurred in both the longitudinal and lateral directions.

Les rapides transformations chimiques et mecaniques du petrole deverse dans l'environnement terrestre ou marin, du fait des mecanismes d'alteration (evaporation, dissolution, photo oxydation, biodegradation. . . ), sont souvent un obstacle a la determination de son origine. Par consequent, si un petrole ne peut etre rapidement analyse apres son introduction dans le milieu naturel, son identification devient tres difficile. L'objectif de ce travail a ete de mettre au point un protocole analytique pour developper une methodologie de suivi et d'identification d'une pollution petroliere. Pour cela, nous avons defini et classe en plusieurs familles l'ensemble des hydrocarbures etudies. Les composes petroliers qui evoluent dans le temps sont appeles indicateurs d'evolution. Ces hydrocarbures permettent de reconstruire l'historique et les differentes phases de vieillissement du petrole contaminant. Ceux qui permettent de caracteriser les differentes contributions en hydrocarbures (biogene, anthropique, diagenetique) dans les sediments, sont definis comme indicateurs de source. Enfin, les composes qui persistent a long terme dans le sediment et caracterisent l'empreinte geochimique du petrole, sont selectionnes comme marqueurs d'origine car ils permettent d'identifier le residu petrolier. D'un point de vue experimental, cette methodologie a ete appliquee en premier lieu au cas de pollutions de sediments recents (0-20 cm de profondeur) dont l'historique est connu (mangrove de guadeloupe, cote de granite rose de bretagne, bassin de pechelbronn en alsace). Ces etudes, realisees sur des environnements tres differents (marecageux, marin et terrestre) ont montre des resultats similaires, en ce qui concerne le devenir (stabilite) de certains traceurs biogeochimiques. Dans chaque cas, les terpanes tri- et tetracycliques, certains terpanes pentacycliques, steranes, diasteranes et steroides aromatiques ont ete selectionnes comme marqueurs d'origine. Les hydrocarbures aromatiques polycycliques (hap), les steranes en c#2#7, les sesquiterpanes bicycliques et les alcanes lineaires et ramifies ont ete choisis comme indicateurs de source et d'evolution. Dans un deuxieme temps, cette methodologie d'identification a ete appliquee au cas d'une pollution de sediments contamines chroniquement par un melange d'hydrocarbures biogeniques et petrogeniques. Par une approche geochimique, des rapports moleculaires elabores a partir des marqueurs d'origine, ont ete selectionnes pour realiser deux etudes statistiques complementaires (afd et acp). Certains de ces rapports se sont averes specifiques des residus petroliers et sont par la-meme d'excellents outils pour remonter a l'origine des petroles ayant contamines les sediments etudies. Pour aller encore plus loin dans notre investigation, nous avons montre que les indices moleculaires selectionnes permettent egalement de differencier 8 groupes geologiques de petroles les plus repandus dans le monde.

Dans un premier temps, un analogue electrique bidimensionnel est developpe pour modeliser la diffusion de pression de fluide dans les milieux poreux heterogenes. Des mesures d'admittance de reseaux de percolation, mettent en evidence en fonction de la frequence, un comportement de diffusion anormale. De facon analogue, des mesures de permeabilite dynamique de roches synthetiques sont effectuees a l'aide d'un dispositif d'essais triaxial. Le transport de fluide est alors decrit par modele de diffusion en milieu homogene. Dans un deuxieme temps, nous etudions la reversibilite de la dispersion de traceurs en injectant et en aspirant a debit constant un fluide dans un empilement de billes de verre de diametres peu disperses. Une technique electrochimique de generation et de detection de traceur a forte resolution spatiale est developpee dans ce but. La transition entre un comportement reversible aux temps courts et un comportement irreversible aux temps longs est mise en evidence. Les caracteristiques de cette transition sont reliees au desordre geometrique du champ de vitesse

La fluorescence x a dispersion d'energie a ete utilisee pour la determination des elements traces en milieu biologique. Apres avoir defini les parametres analytiques et etudie les conditions optimales de dosage pour differentes matrices, nous avons determine les valeurs normales des elements essentiels dans le plasma et le sang total chez 1700 sujets sains afin de constituer une banque de donnees permettant d'apprecier la perturbation eventuelle des elements traces pour une pathologie donnee. Grace aux performances obtenues, nous avons egalement pu determiner des valeurs normales pour le rubidium et le brome qui, en raison de difficultes techniques, ont ete tres peu etudies. Les teneurs en elements traces chez differentes especes animales ont ete comparees avec celles de l'homme, et nous pouvons conclure que tous les elements etudies sont homeostases chez toutes les especes. Compte tenu de nos resultats, nous pensons que le rubidium est un element essentiel. Par ailleurs, nous avons etudie les elements toxiques tels que le plomb ou le mercure approtes par l'environnement ou dus a une activite professionnelle. Nous avons egalement pu etudier les teneurs residuelles en or et en platine dans le plasma et les urines de patients ayant subi des traitements aux sels d'or et aux sels de platine. Enfin, nous avons montre, a partir d'un fichier de 3000 personnes, que la variation d'un element trace dans un milieu s'accompagne generalement de la variation d'un ou de plusieurs autres elements. Ce resultat montre tout l'interet d'une etude multielementaire de la variation des concentrations en elements traces, et demontre que la fluorescence x a dispersion d'energie est un outil analytique particulierement approprie

Doctor of Philosophy
Department of Mechanical and Nuclear Engineering
M.H. Hosni
Z.C. Zheng
In order to study the capability of computational methods in investigating the mechanisms associated with disease and contaminants transmission in aircraft cabins, the Computational Fluid Dynamics (CFD) models are used for the simulation of turbulent airflow, tracer gas diffusion, and particle dispersion in a generic aircraft cabin mockup. The CFD models are validated through comparisons of the CFD predictions with the corresponding experimental measurements. It is found that using Large Eddy Simulation (LES) with the Werner-Wengle wall function, one can predict unsteady airflow velocity field with relatively high accuracy. However in the middle region of the cabin mockup, where the recirculation of airflow takes place, the accuracy is not as good as that in other locations. By examining different k-ε models, the current study recommends the use of the RNG k-ε model with the non-equilibrium wall function as a Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) model for predicting the steady-state airflow velocity data. It is also found that changing the cabin air-inlet nozzle height has a significant effect on the flow behavior in the middle and upper part of the cabin, while the flow pattern in the lower part is not affected as much. Through the use of LES and species transport model in simulating tracer gas diffusion, very good agreement between predicted and measured tracer gas concentration data is observed for some monitoring locations, but the agreement level is not uniform for all the sampling point locations. The reasons for the deviations between predictions and measurements for those locations are discussed. The Lagrange-Euler approach is invoked in the particle dispersion simulations. In this approach, the equation of motion for the discrete phase is coupled with the continuous phase governing equations through the calculation of drag and buoyancy forces acting on particles. The continuous phase flow is turbulent and RANS is employed in order to calculate the continuous phase velocity field. A complete study on grid dependence for RANS simulation is performed through a controllable regional mesh refinement scheme. The grid dependence study shows that using unstructured grid with tetrahedral and hybrid elements in the refinement region are more efficient than using structured grid with hexahedral elements. The effect of turbulence on the particle dispersion is taken into account by using a stochastic tracking method (Discrete Random Walk model). One of the significant features of this study is the investigation of the effect of the number of tries on the accuracy of particle concentration predictions when Discrete Random Walk is used to model turbulent distribution of particles. Subsequently, the optimum number of tries to obtain the most accurate predictions is determined. In accordance with the corresponding experimental data, the effect of particle size on particle distribution is also studied and discussed through the simulation of two different sizes of mono-disperse particles in the cabin with straight injection tube, i.e., 3µm and 10µm. Due to the low particle loading, neglecting the effect of particles motion on the continuous phase flow-field seems to be a reasonable, simplifying assumption in running the simulations. However, this assumption is verified through the comparison of the results from 1-way and 2-way coupling simulations. Eventually through the simulations for the particle injection using the cone diffuser, the effects of cabin pressure gradient as well as the particle density on particles dispersion behavior are studied and discussed. In the last part of this dissertation, the turbulent airflow in a full-scale Boeing 767 aircraft cabin mockup with eleven rows of seats and manikins is simulated using steady RANS method. The results of this simulation cannot only be used to study the airflow pattern, but also can be used as the initial condition for running the tracer gas diffusion and particle dispersion simulations in this cabin mockup.

Etude experimentale et numerique de la dispersion de taylor dans un tube capillaire. Mise en oeuvre d'une methode d'etude d'un milieu poreux (dit d'injection et retour) dans un systeme de tubes capillaires. Les milieux stratifies constituent un cas modele de milieu heterogene. On etudie la dispersion en fonction du debit, de la distance parcourue et de l'epaisseur des couches

L'analyse d'elements presents a l'etat de trace (concentration inferieures au mu nongg) connait un developpement important dans l'etude de l'environnement, en medecine et en biologie. Tous ces domaines requierent un nombre d'analyses eleve d'echantillons pour conduire a des resultats significatifs. Le nombre d'elements qui gagnent en importance ne cesse de croitre. La spectrometrie a dispersion d'energie repond parfaitement a ces besoins par une analyse multielementaire rapide, sans preparation chimique et d'une tres grande fiabilite. Une automatisation aisee permet des mesures de routine vingt quatre heures sur vingt quatre de quelques dizaines d'elements dans le domaine du n nongg

La dispersion atmospherique des traceurs constitue l'un des principaux axes de recherche de ces dernieres annees. L'objectif de ces travaux de these, etait de realiser un outil de simulation fiable offrant une bonne approche de la realite, permettant de calculer des concentrations de traceurs sur des terrains complexes dans des delais de temps relativement brefs et avec une bonne precision. Dans ce cadre de nouveaux modeles de simulation sur la dispersion atmospherique des traceurs ont ete introduits et notamment le modele brownien fractionnaire. D'autre part, l'exigence d'avoir une application temps reel, imposait de reduire au maximum les temps de calcul. Toutes ces contraintes, ainsi que la quantite importante des donnees a traiter, nous a conduit a nous tourner tout naturellement vers le calcul de haute performance et les ordinateurs massivement paralleles. Le systeme mesyst enrichi avec de nouveaux modeles et parallelise permet de simuler dans des delais de temps tres brefs les concentrations et les depositions dans l'atmosphere. D'autre part le modele brownien fractionnaire apporte une amelioration dans les valeurs simulees des concentrations. Ce modele a ete valide sur les experiences internationales siesta.

Changement du taux de fer chez des patients traites par le cis-platine. Etude de l'email et de la dentine qui concentre le plomb. La fluorescence x peut etre utilisee pour l'analyse semi-quantitative des coupes histologiques et biopsis. Le taux de zinc, cuivre, potassium et fer dans une population d'individus adultes, de nouveaux-nes et pour diverses pathologies ont ete etablis

Ce travail a pour objectif d’identifier et de modéliser les mécanismes physico-chimiques régissant les écoulements d’eau et les transferts de solutés dans un milieu poreux consolidé fissuré. Un dispositif expérimental original a été mis en place, où un milieu fissuré modèle est reproduit en empilant des cubes poreux consolidés de 5 cm de côté : le « cube ». En parallèle, des études sont menées sur des colonnes du milieu poreux consolidé homogène. La même technique de traçage anionique est utilisée dans les deux cas. Selon une approche de dynamique des systèmes, on sollicite le dispositif avec des créneaux de concentration en traceur, pour obtenir des courbes de percée. Après avoir identifié bilan de masse et temps de séjour, nous avons calé les modèles CD et MIM sur les données expérimentales. Le modèle MIM permet de reproduire les courbes expérimentales sur le milieu poreux consolidé homogène de façon plus satisfaisante que le modèle CD. On obtient une fraction d’eau mobile en cohérence avec la géométrie du milieu poreux. L’étude de l’influence de la vitesse de l’écoulement met en évidence un régime de dispersion d’interférence. L’influence de la longueur d’observation n’a pas pu être mise en évidence dans ce cas. Nous avons par contre mis en évidence un effet de l’échelle d’observation sur le milieu poreux et fissuré en comparant les résultats obtenus sur un petit « cube » et un grand « cube ». Le modèle CD n’est pas satisfaisant dans ce cas. Si le modèle MIM permet de reproduire les courbes de percée expérimentales, il n’a pas été possible de caler des paramètres uniques pour toutes les expériences
We try to identify and model physical and chemical mechanisms governing the water flow and the solute transport in fractured consolidated porous medium. An original experimental device was built. The “cube” consists of an idealized fractured medium reproduced by piling up consolidated porous cubes of 5 cm edge. Meanwhile, columns of the homogeneous consolidated porous medium are studied. The same anionic tracing technique is used in both cases. Using a system analysis approach, we inject concentration pulses in the device to obtain breakthrough curves. After identifying the mass balance and the residence time, we fit the CD and the MIM models to the experimental data. The MIM model is able to reproduce experimental curves of the homogeneous consolidated porous medium better than the CD model. The mobile water fraction is in accordance with the porous medium geometry. The study of the flow rate influence highlights an interference dispersion regime. It was not possible to highlight the observation length influence in this case. On the contrary, we highlight the effect of the observation scale on the fractured and porous medium, comparing the results obtained on a small “cube” and a big “cube”. The CD model is not satisfactory in this case. Even if the MIM model can fit the experimental breakthrough curves, it was not possible to obtain unique parameters for the set of experiments

Deux méthodes d'analyse sont utilisées. En régime permanent la méthode consiste à mesurer le profil de concentration de la phase continue (le liquide). En régime transitoire on détecte l'oxygène dissous sur cathode en or après injection brève d'oxygène gazeux dans colonne fluidisée initialement saturée par l'air. Ces deux méthodes permettent de déterminer la rétention du gaz, les nombres de péclet du gaz et du liquide et le coefficient de transfert de matière volumétrique.

Gaseous pollutants have been an environmental concern since 1956, when the first clean air act was established in the United Kingdom. Monitoring of gaseous emissions is a legal requirement in most countries, and this has generated a large demand for inexpensive, portable, and versatile gas analysers for the measurement of gaseous emissions. Many of the current commercial gas analysers have differing advantages and disadvantages, however, high cost is an important factor. Instruments with low detection limits and the ability to measure multiple gases tend to be very expensive, whereas, single gas analysers tend to be much more affordable. A non-dispersive infrared (NDIR) spectrometer, originally developed for a previous M.Sc. project, has been further developed in order to increase the sensitivity and to extend the instrument to the measurement of multiple gases. This type of instrument would be useful for environmental, industrial, and research applications. The instrument was inexpensive to construct when compared with the cost of current commercial gas analysers, is robust, and is partially portable around the laboratory. Infrared radiation from two infrared sources, pass through adjacent sample and reference cells and into corresponding detector cells. A sample comprising the analyte gas is contained in the sample cell, a non-absorbing gas, such as argon, is contained in the reference cell, and pure analyte gas of interest is contained in the detector cells. The two identical detector cells, which follow the reference and sample cells in the infrared optic paths, communicate only through a differential capacitance manometer which accurately measures small pressure differences between the otherwise identical cells. Any trace amount of the analyte gas in the sample cell absorbs radiation, depleting the appropriate infrared frequencies. This results in lower energy incident on the sample detector cell, reducing the infrared induced pressure rise in that detector cell compared to the reference side detector cell. The pressure difference is ii proportional to the concentration of absorbing gas in the sample cell, which is then determined using a calibration graph. Carbon dioxide, methane, and nitrous oxide calibration graphs from 40 ppm to 1000 ppm have been successfully established, and detection limits of 10.33 ppm for CO₂, 8.81 ppm for N₂O and 9.17 ppm for CH₄ were determined. Dried air samples measured using the spectrometer gave an average value of 382 ± 9.6 ppm which can be compared to the latest global atmospheric loading of 382.4 ppm.

La tomographie de résistivité électrique (ERT) est une méthode courante géophysique de terrain, souvent utilisée pour détecter et l’évolution suivre les panaches de polluants en zone saturée. L’ERT est cependant une méthode intégratrice dont la fiabilité des modèles est confronte aux problèmes de non unicité des solutions du problème inverse. Ces contraintes limitent l’interprétation des modèles a un aspect qualitatif de la distribution des contrastes de résistivité modélises en 2D ou 3D, résultant du choix des paramètres d’inversion et de l’association de paramètres du milieu non identifiables a l’échelle du volume poreux.Cette thèse propose de tester la faisabilité de la méthode pour quantifier les paramètres de transport de polluants et de solutés miscibles au contact des eaux souterraines, ainsi que la sensibilité des paramètres d’inversion les plus influents sur la modélisation.Les tests expérimentaux sont réalisés en laboratoire sur des empilements 2D de billes de verre sphériques (de l’ordre de la 100èn de μm) dans un réservoir en plexiglas transparent. Deux réseaux verticaux de 21 électrodes sont disposes sur les bords latéraux du réservoir pour effectuer le suivi ERT du traceur sale (NaCl dissout) a partir de 210 points de mesures en dipôle-dipôle transverse acquis toutes les 5 minutes afin d’optimiser la résolution temporelle. Le dispositif est également dispose face a un panneau lumineux permettant de réalise un suivi vidéo simultané du colorant.L’analyse vidéo révèle une propagation plus rapide du colorant sur les bords latéraux qui reste somme toute négligeable pour les débits a la pompe les plus faibles. En revanche les mesures ERT sont fortement perturbées par les effets résistant de la cellule plexiglas qui se répercutent sur les modèles. La normalisation des mesures de résistivité apparente à partir d’une série acquise à l’état initial permet de les atténuer fortement.La modélisation est particulièrement sensible au choix du maillage, aux normes appliques (L1 ou L2) sur les données et les paramètres, et au facteur d’amortissement _. Des valeurs trop élevées de _ et du facteur d’acceptance tendent à lisser les contrastes au niveau du front de dispersion et augmentent l’impact des effets des bords horizontaux sur D et _. A l’inverse, une modélisation contrainte par de faibles valeurs de α et du facteur d’acceptante donne des résultats plus proches l’analyse vidéo, mais produit des effets de bosses à l’avant et à l’arrière du front.La vitesse interstitiel u est indépendante du choix des paramètres d’inversion pour l’ERT. Pour les deux méthodes u est toujours inférieure au débit impose par la pompe, dont le décalage est exprimé par le facteur retard Rf . Les effets de retard résultent de l’adsorption du Na+ sur les surfaces des billes de verre chargées négativement qui retarde le front de dispersion du suivi ERT. Pour le suivi vidéo, la taille importante de la molécule du colorant favorise son piégeage dans les zones ou la perméabilité est plus faible, en plus d’une éventuelle affinité avec la surface solide. Les contrastes de conductivité et la stabilité de l’interface créent par la différence de densité entre les fluides testes ici n’ont pas d’influences significatives sur la dispersion qui est dominée par le débit impose a la pompe. Les estimations du coefficient de dispersion D en fonction du nombre de Péclet sont cohérentes avec la courbe théorique de Bachmat (1968). Cependant la dispersivité α augmente pour les vitesses d’écoulement les plus élevées. Les premières expérimentations de terrain réalises en 2D sur des sables de Fontainebleau présentent l’avantage de s’affranchir des effets de bords inhérents au laboratoire. En revanche la recalibration des données normalisées par la loi de Archie est plus complexe puisqu’il est nécessaire de tenir compte de l’état de saturation de la résistivité des fluides initialement présents. De plus l’erreur importante sur les modèles ne permet pas de déduire une estimation fiable des paramètres de transport u, α (ou D), et Rf
Electrical resistivity tomography is a common geophysical method often used to detect and follow plumepollutants in aquifers. However ERT is an integrative method whose reliability of the models is faced tothe non-unicity of the inverse problem solutions. These constraints limit the interpretation to a qualitativeview of the resistivity contrasts modelled in 2D or 3D, resulting of the chosen inverse parameters and thecombination of several hydrodynamic paramaters related to the poral network.The purpose of this thesis was to test the abilities of the ERT imaging to quantify solute transport parametersin miscible displacement occurred in groundwater and the sensitivity of inverse parameters most affectingthe modelled dispersion front.Laboratory experiments are conducted on glass beads poured into a transparent plexiglas container. Twovertical lines of 21 stainless steel electrodes are fixed on the lateral sides of the container to perform the ERTmonitoring, of the NaCl dissolved in the tracer, from a sequence of 210 quadripole measurements acquiredin transverse dipole-dipole each 5 minutes. A light panel is placed behind the experimental device and avideo follow up of the dyed part of the tracer is acquired from the other side.Video analysis reveal a faster propagation of the dye in contact of the vertical edge, which is negligible forthe lowest flow rates imposed by the pump. In contrast, ERT mesurements are strongly disturbed by theresistant edges of the plexiglas container which affect the resulting models. Normalisation of the apparentresisitivity measurements acquired at the experimental stage and by the Archie’s law strongly tones downthese resistive artefacts.ERT modelling is here particularly sensitive to the grid mesh, the norm (L1 or L2 ) applied on data andparameters, and the damping factor λ. High values of λ and the cutoff factor tend to smooth the resistivityconstrasts in the area of the mixing front and increase the weight of the horizontal edge effects on D andα. While results from inverse modelling constraint by low λ and cutoff factors are much closer to the videoanalysis but with enhanced side slope effects at the rear and the front of the mixing area.The interstitial velocity u is independant of the chosen inverse parameters. For both methods u is alwaysinferior to the flow rate provided by the pump, whose the gap is expressed as a retardation factor Rf . Thisretardation is due to adsorption of Na+ on the beads surfaces, which contributes to delay the dispersionfront followed by ERT. The retardation expressed by the video analysis can be due to the important sizeof the molecule of the dye which is easily slowed down in lower permeability areas, added to an eventualaffinity to the solid surface.The ranges of fluid conductivity contrasts and stability of the interfaces tested here have no influences onthe dispersion which is dominated by the flow velocity u. Estimations of the dispersion coefficient D asfunction of the Péclet is consistent with the theoretical curve of Bachmat (1968) and Bijeljic & al (2004).Field experiments are first conducted in 2D on homogeneous unsaturated sand which is considered as aninfinite half-space. However, data normalisation is much more complicated since the saturation state andthe initial fluid conductivities need to be estimated to calibrate the Archie’s law. Because of the 3D tracerinflitration, the RMS error of 2D-ERT models highlights that the inversion process is not enough constraintby data which does not allow to quantify the transport parameters. 3D experiments were then adaptedto detect and follow plumes of saline tracers injected in the centre of the electrode device. From 3D ERTmeasurements we are able to produce reliable models in order to estimate such transport parameters as themean flow velocity, and transverse and longitudinal dispersivities

Cette thèse, qui s’inscrit dans le cadre du projet ANR Eco-Tech TRIPTIC, a eu comme objectif de contribuer au tri industriel en cadence de polymères contenant des traceurs détectables grâce à leurs propriétés en fluorescence X ou UV. Dans un premier temps, étant donné que le coût des traceurs choisis pour l’étude TRIPTIC est assez élevé, nous avons réalisé une étude préliminaire, avec des particules modèles de silice, visant à optimiser la dispersion de charges dans une matrice polypropylène/éthylène propylène rubber (PP/EPR). Nous avons montré que l’extrusion à taux de cisaillement élevé est une technologie efficace permettant une dispersion homogène de charges de tailles micro ou nanométriques. Dans un deuxième temps, après optimisation des conditions de dispersion, nous avons extrapolé nos résultats à la dispersion de particules de traceurs UV dans différentes matrices thermoplastiques. Nous avons montré que la dispersion de 1000 ppm de particules de traceurs, de tailles micrométriques, dans des matrices polypropylènes, en extrusion à haute vitesse (N= 800 rpm), n’a pas d’impact sur les propriétés mécaniques et physico-chimiques des mélanges tracés, ainsi que sur la photo-dégradation sous rayonnement UV. Cette fine dispersion a non seulement permis la conservation des propriétés des polymères tracés mais aussi une bonne détection dynamique, tant en fluorescence X qu’UV, sur un prototype conçu par des partenaires du projet (Pellenc Selective Technologies, CEA-LITT et ENSAM- LCPI). Enfin, nous avons validé l’extrusion à haute vitesse pour compatibiliser des mélanges de polymères ternaires (PP/EPR)/PE (polyéthylène) pouvant correspondre à la valorisation de polymères post-consommation, par exemple dans l’hypothèse où on souhaite recycler (PP/EPR) et PE ensembles. Les propriétés prometteuses des mélanges obtenus doivent leur permettre de trouver des applications dans l’industrie automobile, par exemple. Cette voie est d’un grand intérêt pour les applications industrielles, car elle permet d’envisager des propriétés mécaniques élevées pour les polymères recyclés. Elle ouvre aussi de nouvelles perspectives pour l’élaboration de matériaux allégés, obtenus à partir de matières vierges ou recyclées
This thesis, which is part of the ANR Eco-Tech TRIPTIC project, had the objective of contributing to industrial sorting rate of polymers containing tracers detectable by their fluorescence X or UV properties. At first, given that the cost of tracers selected for TRIPTIC study is quite high, a preliminary study is conducted with models of silica particles to optimize the dispersion of fillers in polypropylene / ethylene-propylene rubber (PP / EPR) matrix. It was found that processing under high shear rate is an effective technology for accomplishing a homogeneous dispersion of micro or nanoscale fillers. In a second step, after optimization of dispersion conditions, our results are extrapolated to the dispersion of UV tracer in different thermoplastic matrices. It was shown that the dispersion of 1000 ppm of micrometer tracer particles, in polypropylene matrices, extruded at high shear rates (N = 800 rpm), has no impact on the mechanical and physico-chemical properties as well as in the photo-degradation of the polymer after UV irradiation exposure. This fine dispersion was beneficial not only for the conservation of the properties of traced polymers but also for achieving a good dynamic detection of UV or X tracers using a prototype developed by the project partners ( Pellenc Selective Technologies , CEA- LITT and ENSAM - RPI ). Finally, high shear processing has successfully used to the compatibilization of ternary blends ( PP / EPR ) / PE (polyethylene) which may correspond to the post-consumer polymers. This technique has proved to be an effective method to produce polymer blends with unique mechanical properties. This novel strategy of compatibilization is of a particular interest, especially for industrial application prospects. It also opens new perspectives for materials lightening as well as “high shear recycling” of immiscible polymers

Thesis (M.S. in environmental engineering)--Washington State University, May 2009.
Title from PDF title page (viewed on May 21, 2009). "Department of Civil and Environmental Engineering." Includes bibliographical references (p. 87-91).

Studies have been carried out on specific ion-exchange (Dowex 50W-X8 and Dowex 1-X8) and chelation (Chelex-100) resins, in order to determine their physical and chemical characteristics, to understand and explain their limits of function and to optimise their use as substrates in trace metal and speciation measurement by EDXRF. Structural information was obtained by scanning electron microscopy and x-ray microanalysis showing a homogeneous distribution of functional groups and retained ions on both sectioned and whole resins. Particle size experiments performed on Dowex 50W-X8 (38 - 840 µm) showed that this parameter has no effect on the relationship between intensity of fluorescence and concentration or mass of resin. Inter-element effects were not observed in the analysis of multielemental specimens prepared on ion-exchange / chelation media by EDXRF. This indicates that the proposed method has a significant advantage when compared with other methodologies. A theoretical ‘model’, based on the formation of thin films on the surface of the resin beads, has been proposed in order to link and explain the effects observed in these experiments. The use of a batch retention system has shown distinct advantages over using columns in terms of linearity, accuracy, precision, rapidity and simplicity. Parameters such as pH and ionic strength of the solution, concentration of competing ions and volume of the sample have been proven to be critical. The maximum retention capacity has been determined as 3.2, 1.1 and 0.67 mEq/g for Dowex 50W-X8, Dowex 1-X8 and Chelex-100 respectively. The optimum mass of resin for XRF analysis was found to be 0.5 g, for all resins tested. The linear range covered 4 to 5 orders of magnitude. These findings show the potential of the investigated media to overcome instrumental and sample limitations. Based on the physico-chemical information found, methodologies for three different applications of the resins to EDXRF determinations have been developed and their analytical possibilities explored. The multi-elemental determination of metals in sewage sludge digests was achieved by retaining the metals on Dowex 50W-X8 at pH 2 and Chelex-100 at pH 4. Chelex-100 allows quantitative recoveries for Cu and Zn. A wider range of elements was determined on Dowex 50W-X8, although with poorer recoveries (60 - 90%). The limits of detection were 10 - 21 µg when Dowex 50W-X8 was used and 8 - 49 µg for Chelex-100. The method was validated by the analysis of a certified material. The determination of Kβ/Kα intensity ratios for Cr and Mn species and its potential as a tool for direct elemental speciation has also been studied. A difference in Kβ/Kα between the oxidation states of the analytes was only observed during the analysis of solutions of the metal species by EDXRF at the 98% level of confidence. Finally, the speciation and preconcentration of Cr(III) and Cr(VI) in waters has been performed by retention on Dowex 50W-X8 and Dowex 1-X8 followed by EDXRF determination. Efficient recoveries and preconcentration factors of up to 500 were achieved, leading to limits of detection of 30 µg/L for Cr(VI) and 40 µg/L for Cr(III). This method is simple, fast and inexpensive, allowing quantitative recoveries in the speciation of chromium in waste waters.

Ce travail se situe dans le cadre d’un projet global visant à développer un procédé innovant pour un traitement ciblé de plantes aquatiques invasives dans une masse d’eau lentique. L’un des enjeux est d’optimiser la concentration de substance active nécessaire pour éliminer les plantes ciblées sans créer de potentiels dommages écologiques. Une méthodologie basée sur une approche de modélisation ascendante a été appliquée en utilisant la Mécanique des Fluides Numérique (MFN) afin de pouvoir définir des conditions optimales pour un traitement efficace. Cette approche de modélisation a été appliquée pour la simulation de l’écoulement et la dispersion des substances actives de l’échelle d’un pilote de 1m3 à celle de plans d’eau alimentés en surface et par le fond. Cinq modèles de turbulence ont été présélectionnés afin d’évaluer leur influence sur les résultats de simulation. Le modèle RNG k-ε a été choisi définitivement après sa validation par des traçages expérimentaux à l’échelle du pilote mimant le fonctionnement hydrodynamique d’un plan d’eau réel. Des mesures expérimentales sur pilote et des simulations numériques réalisées à l’échelle de celui-ci et sur quatre configurations de plans d’eau ont permis d’évaluer l’impact de plusieurs paramètres hydrodynamiques (débit, nombre d’entrées et sorties, type d’alimentation en eau, …) et des forçages extérieurs (vent, température) sur le maintien de la concentration algicide au cours du traitement. Le vent joue principalement le rôle d'un diffuseur naturel provoquant 95% de la dilution de la concentration algicide. La prise en compte de la vitesse de réaction chimique de la substance active dans l’eau indique également une diminution de la concentration locale de substance active. Le traitement optimal ne serait donc pas seulement lié à la maîtrise de la concentration à injecter mais à une bonne compréhension de l’écoulement local
This work is part of an overall project to develop an innovative process for targeted treatment of invasive aquatic plants in a lentic water body. One of the challenges is to optimize the concentration of active substance required to remove the target plants without creating potential ecological damage. A methodology based on a bottom-up modeling approach was applied using Computational Fluid Dynamics (CFD) in order to define optimal conditions for effective treatment. This modeling approach was used for the flow and the dispersion of active substance simulations from a 1 m3 pilot to lentic water bodies fed by surface water or groundwater. Five turbulence models were preselected in order to assess their influence on the simulation results. The RNG k-ε model was selected after final validation by tracer experiments at pilot scale mimicking the hydrodynamics of a real lentic water bodies. Experimental measurements on pilot and numerical simulations carried out on scale thereof with four configurations of lentic water bodies have allowed to evaluate the impact of several hydrodynamic parameters (water flow, number of inlets and outlets, type of water supply, …) and external forcing (wind, temperature) on maintaining of algaecide concentration during the treatment. The wind mainly acts as a natural diffuser causing 95% of diluting the algaecide concentration. Taking account of the rate of chemical reaction of the active substance in water also indicates a decrease of the local concentration of active substance. The optimal treatment is not only based to the control of injected concentration but it is also related to a good understanding of the local water flow

Trace elements are involved in a variety of biochemical processes essential to life and are required in minute amounts. There are no data available on the use of handheld X-ray fluorescence (XRF) spectrometry to determine concentrations of important trace elements in ovine livers. The aim of this study was to ascertain if the handheld X-ray fluorescence spectrometer will provide reliable concentrations of certain essential trace elements in the livers of sheep. Sheep livers (n=30) were obtained from abattoirs. Wet liver samples taken from 30 liver specimens were blended until homogeneity was achieved. An aliquot of the homogenised liver samples were oven dried at 50°C until a constant mass and were then pulverised using a mortar and pestle to obtain a fine powder. In addition, homogenised liver samples (n = 30) were also submitted for dry ashing. All the prepared liver samples (i.e. wet blended, oven dried and dry ashed) were then analysed using a handheld X-ray fluorescence spectrometer to determine concentrations of copper (Cu), iron (Fe), manganese (Mn), molybdenum (Mo), selenium (Se) and zinc (Zn). A reference laboratory analysed the same liver samples using ICP-MS to determine the concentrations of the above mentioned trace elements (control). The means (mg/kg) of the ICP-MS results on a dry matter basis were: Cu (505), Fe (351), Mn (12.3), Mo (3.8), Se (1.8) and Zn (168). The means (mg/kg) of the XRF oven-dried results were: Cu (502), Fe (289), Mn (11.7), Mo (1.6) and Zn (141.9). Selenium could not be detected in oven-dried samples when using the XRF. The intra-sample coefficients of variation were similar between ICP-MS and XRF for oven dried samples for Cu, Fe and Zn and are within the same order of magnitude for all elements in dry ashed samples when comparing ICP-MS to XRF. However, the intra-sample coefficients of variation for Mn and Mo were approximately an order of magnitude larger using XRF. Although the precision for Se appears to be good when using XRF on dry ashed samples, Se was only detected in a few samples, so this value is not representative of the overall precision of XRF using the dry ashed preparation procedure for Se determination. Selenium was not detectable using XRF on wet blended and oven dried samples. The intra-sample coefficient of variation for Se was relatively high using ICP-MS, suggesting that even the current ‘gold standard’ in detecting trace-elements may be imprecise in measuring Se. Overall, this suggests that the precision of sampling using XRF is relatively good for only Cu, Fe and Zn and relatively poor for Mn and Mo. Furthermore, XRF cannot be reliably used for measuring Se. Bayesian correlation were used to determine the best correlation between XRF and ICP-MS data. Bayesian correlation results are summarised by the median sample Pearson product-moment correlation coefficient (r), the 95% lower (LHPDI) and upper (UHPDI) highest posterior density intervals, the square of the sample correlation coefficient (r2), and the probability that the correlation coefficient is positive. Overall, the oven-dried preparation procedure for XRF appeared to provide the best correlation with the ICP-MS data. For Cu and Zn these correlations were strong and the XRF method may represent a suitable substitute for ICP-MS. For Mn and Fe the correlations were moderately strong and the XRF method may be suitable depending upon the intended application. For Mo the correlation was moderate and XRF cannot be recommended. For Se no XRF method was suitable. The advantage of handheld X-ray spectrometry is that the turnaround time of samples is reduced a great deal. Instead of submitting samples to a laboratory and waiting for results, samples can be analysed more rapidly with the use of a handheld X-ray fluorescence spectrometer.
Dissertation (MSc)--University of Pretoria, 2016.
Paraclinical Sciences
MSc
Unrestricted

La modelisation quantitative du transfert de l'eau et des solutes dans la zone non saturee des sols necessite la mesure in situ des parametres hydro-dispersifs. L'infiltrometrie sous pression controlee couplee a l'utilisation de traceurs de l'ecoulement de l'eau est pour cela un outil efficace et simple a mettre en uvre sur le terrain. La modelisation des transferts et l'analyse des resultats des calculs conduit a une methode simplifiee de caracterisation hydro-dispersive par infiltrometrie. La conductivite hydraulique k et la sorptivite s sont estimees a partir de l'analyse aux temps courts ou aux temps longs de l'infiltration cumulee. La methode mono-tracage est utilisee pour le calcul de la fraction d'eau mobile f. Une nouvelle methode d'estimation du coefficient de dispersion d est proposee. Elle est telle que d reste l'unique parametre a ajuster sur les donnees issues de l'echantillonnage du sol a la fin de l'infiltration. L'incertitude d'estimation est de plus definie pour chacun des parametres. Le domaine de validite des methodes est precise a partir de donnees generees numeriquement. Pour le calcul de k, s et f, il est defini a partir des temps caracteristiques de l'ecoulement de l'eau, de la lame de solution infiltree et de la dispersivite du milieu. La validite du mode de determination de d depend du nombre adimensionnel pext. Trois sols sont caracterises in situ. La porosite bimodale des deux premiers induit une forte augmentation des parametres hydrodynamiques a l'approche de la saturation, et de f avec la taille moyenne de pores hydrauliquement fonctionnels. Le troisieme est soumis a l'encroutement de surface. Les resultats de la caracterisation hydro-dispersive renforces par l'observation du reseau poral sur lames minces montre que le role des croutes de surface sur l'infiltrabilite est minimise par rapport a celui du sol sous-jacent. De plus, le sol sous-jacent semble protege de la coalescence par les croutes de surface.