Rozprawy doktorskie na temat „Écoulement dans une conduite à expansion”

La thèse traite de recherches numériques et expérimentales sur l’écoulement à traves des conduites circulaires ou des tubes avec une petite entrée et un diamètre de sortie plus grand, parfois appelées élargissement ou divergents. L’écoulement dans un élargissement est globalement stable pour des nombres de Reynolds élevés. Ainsi la simulation numérique de ce type d’écoulement nécessite de grands domaines de calcul contenant la zone de recirculation, qui croît linéairement. En outre, les études expérimentales dans les élargissements brusques indiquent que la transition se produit à des nombres de Reynolds plus faibles que prévue par la théorie linéaire de stabilité. La raison pour cette transition précoce est due à la présence d’imperfections dans le dispositif expérimental, qui agit comme une perturbation d’amplitude finie de l’écoulement. Des simulations numériques directes des équations de Navier-Stokes ont été réalisées avec deux types différents de perturbations (i) l’inclination et (ii) le vortex. Tout d’abord, la perturbation de type inclinaison, qui est appliqué à l’entrée, crée une zone de recirculation asymétrique, puis se casse pour former une turbulence localisée en aval de l’expansion. Deuxièmement, la perturbation de type vortex, crée des structures qui ressemblent à un mode azimutal d’ordre inférieur, déjà identifié comme une perturbation optimale amplifiée. Il croît en raison de l’instabilité convective, puis forme une tâche de turbulence localisée. Enfin, la corrélation spatiale et la décomposition en modes propres révèlent que cette turbulence localisée obtient son énergie de l’écoulement d’entrée
The thesis deals with numerical and experimental investigations of flow through circular pipes with smaller inlet and larger outlet diameter, also known as expansion pipes. The hydrodynamic expansion pipe flow is globally stable for high Reynolds number. In order to numerically simulate these types of flows, large computational domains that could accommodate the linearly growing symmetric recirculation region is needed. Moreover, experimental studies of expansion pipe flows indicate that the transition occurs at lower Reynolds number than predicted by the linear stability theory. The reason for early transition is due to the presence of imperfections in the experimental setup, which acts as a finite-amplitude perturbation of the flow. Three-dimensional direct numerical simulations of the Navier-Stokes equations with two different types of perturbations (i) the tilt and (ii) the vortex are investigated. First, the tilt perturbation, which applied at the inlet, creates an asymmetric recirculation region and then breaks to form localised turbulence downstream the expansion section. Second, the vortex perturbation, creates structures that looks like lower order azimuthal mode, resembles an optimally amplified perturbation. It grows due to convective instability mechanism and then breaks to form localised turbulence. Spatial correlation and the proper orthogonal decomposition reveal that this localised turbulence gains it energy from the core flow coming out of the inlet pipe

Lors de l’écoulement de fluides dans des conduites, les pertes par frottement liées à la turbulence sont responsables de la majeure partie de l’énergie consommée, représentant près de 10% de la consommation mondiale d’électricité. Afin de réduire notre empreinte énergétique, il est essentiel de développer des méthodes novatrices pour pomper les fluides de manière plus efficiente.Il est désormais bien établi que la turbulence s’organise autour d’un ensemble de solutions invariantes instables. En mettant en œuvre des stratégies de contrôle adaptées, il est possible de forcer l’écoulement à évoluer vers des régions de l’espace des phases plus favorables énergétiquement.Cette thèse porte sur la transition sous-critique vers la turbulence dans différentes configurations de conduites divergentes à l’aide de simulations numériques détaillées. Il a été observé que des angles de divergence plus importants réduisent généralement les nombres de Reynolds critiques nécessaires pour le déclenchement de la turbulence, bien que cet effet varie selon les configurations spécifiques, telles que les conduites à expansion brusque. L’influence de l’angle de divergence et du nombre de Reynolds sur la position des puffs turbulents stationnaires et des points de réattachement des zones de recirculation a également été analysée. De manière notable, des angles plus grands et des nombres de Reynolds plus élevés conduisent à une stabilisation des puffs turbulents et des points de réattachement plus proches du point d’expansion, en contraste avec la croissance linéaire des zones de recirculation observée en régime laminaire.En adoptant une approche de système dynamique, cette thèse explore également la stabilisation de l’état de moindre dissipation, connu sous le nom d’edge state, via des stratégies de contrôle par rétroaction. Bien qu’une stabilisation complète n’ait pas été atteinte, des réductions significatives de la traînée visqueuse et une amélioration de l'efficacité énergétique ont été obtenues. Dans une configuration de conduite divergente présentant une symétrie miroir, ces stratégies ont conduit à des économies d’énergie notables sur une large plage de nombres de Reynolds. À l’inverse, dans des configurations de conduites divergentes sans symétrie, l’efficacité de ces stratégies était plus restreinte et limitée à une gamme étroite de nombres de Reynolds autour du seuil de transition vers la turbulence. En outre, la robustesse et l’efficacité de ces stratégies de contrôle par rétroaction ont été évaluées dans des conditions simulant des scénarios opérationnels réels, démontrant ainsi leur potentiel d’application en milieu expérimental.Cette thèse analyse également la dynamique des edge states dans les écoulements divergents, en utilisant la méthode classique de bisection dans le cadre de la simulation numérique directe (DNS) via l'outil Nek5000. Ces techniques ont d’abord été appliquées aux conduites droites, validant ainsi les résultats de recherches précédentes et établissant une référence pour des analyses comparatives dans des géométries plus complexes. Par la suite, la méthode a été appliquée à une configuration de conduite à expansion brusque, où le suivi des edge states a révélé des défis majeurs en raison de la tendance de l’écoulement à transitionner vers un régime turbulent en raison d’une potentielle instabilité linéaire. Enfin, l’algorithme a été appliqué à une configuration à expansion graduelle, où des événements de bouffées quasi-périodiques ont été observés, déclenchant un cycle auto-entretenu de turbulence, alimenté par des mécanismes convectifs et une instabilité de la couche de cisaillement
When driving fluids through pipes, the increased friction losses associated with turbulence are responsible for the majority of the energy used, corresponding to nearly 10 % of the global electric energy consumption. If one wants to succeed in reducing our energy footprint, discovering innovative ways to efficiently pump fluids is crucial.It is now understood that turbulence is organized around a set of unstable invariant solutions. By implementing bespoke control schemes, it is possible to force the flow into a more energetically favorable region of the phase space.This thesis focuses on the subcritical transition to turbulence in various divergent pipe configurations through detailed numerical simulations. It was found that larger divergence angles generally reduce the critical Reynolds numbers required for the onset of turbulence, though this effect varies with specific pipe configurations such as sudden expansion pipe. The influence of divergence angle and Reynolds number on the positioning of stationary turbulent puffs and the reattachment points of recirculation zones was also investigated. Notably, larger angles and higher Reynolds numbers cause both puffs and reattachment points to stabilize closer to the expansion point in contrast to the linear growth of the recirculation zones observed in laminar flow conditions.Adopting a dynamical system perspective, the thesis also examines the stabilization of the least dissipative state, known as the edge state, through feedback controls schemes. While complete stabilization was not achieved, significant reductions in viscous drag and enhanced energy efficiency were observed. In a divergent pipe configuration with mirror symmetry, these strategies resulted in substantial energy savings across a broad range of Reynolds numbers. Conversely, in full divergent pipe configurations without symmetry, the effectiveness of these strategies was more limited and restricted to a narrow range around of Reynolds number around the onset of turbulence. Moreover, the robustness and efficiency of these feedback strategies were evaluated under conditions simulating practical operational scenarios, demonstrating their potential applicability in experimental settings.This thesis also analyses the dynamics of edge states in divergent pipe flows, using classical bisection method within the DNS framework Nek5000. We applied these techniques in straight pipes, validating previous research findings and establishing a baseline for further comparative analysis in more complex geometries. Subsequently, the method was applied to a sudden expansion pipe configuration where edge tracking revealed significant challenges due to the flow’s tendency to quickly revert to turbulence due to a potential linear instability. Finally, the algorithm was applied to a gradual expansion pipe, where quasi-periodic bursting events were observed, initiating a self-sustaining cycle of turbulence driven by convective mechanisms and shear layer instability

Cette thèse est une contribution à l'étude de la dynamique des écoulements tournants de grand nombre de Reynolds. Elle vise à expliquer la déstabilisation, à nombre de swirl élevé, d'un écoulement en rotation solide se développant dans une conduite cylindrique de section constante puis contractante, et débouchant en un jet. On caractérise d'abord la turbulence qui en résulte dans le plan de sortie du jet. Des mesures par anémométrie fil chaud, effectuées en faisant varier le taux de contraction final, confirment que l'origine de cette turbulence doit être principalement recherchée dans l'écoulement de conduite et non dans le jet. On montre ensuite par une étude bibliographique que l'écoulement à l'amont de la contraction peut être fortement affecté par celle-ci lorsqu'il est s! ous-critique vis-à-vis des ondes inertielles (ou ondes de Kelvin) axisymétriques. A l'aide d'un modèle de fluide parfait axisymétrique, on étudie alors l'influence du taux de contraction et des conditions aux limites amont au régime transcritique. On montre l'apparition d'une recirculation de paroi dans la contraction. On explore ensuite l'écoulement de conduite par PIV stéréoscopique, et on compare ces mesures avec une simulation numérique axisymétrique à nombre de Reynolds modéré. En présence d'une contraction finale, on constate une dynamique nouvelle puisque la transition critique est franchie sans éclatement tourbillonnaire. On observe à la place des ondes inertielles axisymétriques stationnaires de grande amplitude. On montre finalement que des instabilités centrifuges de petite échelle ainsi qu'une instabilité global! e axisymétrique peuvent participer à la créatio! n de tur bulence.

Le travail présenté dans cette thèse porte sur l'étude et la simulation d'un écoulement turbulent traversant une conduite coudée 3D en "S" de section croissante. La résolution des équations de Navier-Stokes (moyennées en employant le formalisme de Favre) est effectuée numériquement. Une attention toute particulière a été portée sur la modélisation de la turbulence qui détermine en grande partie la qualité des résultats obtenus au cours de la simulation numérique. La gamme de modèles de turbulences étudiés inclut les modèles algébriques, les modèles à une ou deux équations de transport basés sur le concept de viscosité turbulente introduit par Boussinesq, ainsi que les modèles anisotropes à deux équations de transport de type ASM (Algebraic Stress Model). Pour ces derniers modèles, une technique adaptée de résolution du système algébrique permettant de calculer les contraintes de Reynolds a été développée afin de stabiliser le modèle. Tous les modèles ont d'abord été évalués sur deux cas-tests bidimensionnels : une plaque plane sans gradient de pression et une plaque plane avec gradient de pression. A l'issue de cette comparaison, quatre modèles ont été retenus pour simuler l'écoulement 3D : le modèle algébrique de Baldwin-Lomax, le modèle bicouche de Chen&Patel, le modèle de Jones&Launder et un modèle ASM. La comparaison des résultats obtenus montre que le modèle ASM est le plus apte à calculer l'écoulement 3D dans la conduite en "S". En déterminant de manière précise la position et l'ampleur de la zone de circulation qui apparaît dans le second coude, le modèle ASM permet d'obtenir un écoulement simulé proche de celui qui a été observée expérimentalement.

L'influence de la gravite sur la dynamique locale des ecoulements turbulents a bulles en tube est mise en evidence par une etude experimentale comparative des ecoulements verticaux ascendant et descendant au laboratoire et des ecoulements en microgravite. Les conditions de microgravite sont obtenues au cours de campagnes de vols paraboliques en avion. A partir de mesures par fibres optiques, par sondes a film chaud et par traitement des images obtenues par camera video rapide, la dynamique locale de l'ecoulement est caracterisee: distributions radiales de taux de vide, taille et vitesse de bulles, vitesse du liquide. Les resultats experimentaux montrent que la gravite a une grande influence sur les distributions radiales de taux de vide qui sont analysees par une approche eulerienne a l'aide d'un modele analytique et par simulation numerique. Les echelles caracteristiques de la turbulence sont obtenues a partir d'une analyse spectrale du signal de vitesse dans le liquide. Finalement, la coalescence dans les ecoulements a bulles en microgravite est predite par un modele mecanistique

Malgré son omniprésence dans les applications industrielles, l’´ecoulement dans une conduite reste mal compris d`es que des particules solides sont pr´esentes dans le système. Nous avons dans cette th`ese cherch´e `a caract´eriser l’´ecoulement d’une suspension dans des r´egimes o`u l’inertie n’´etait pas n´egligeable. La premi`ere partie aborde le probl`eme de la migration lat´erale d’une sph`ere rigide dans l’´ecoulement laminaire de Poiseuille. Nous avons exp´erimentalement observ´e comment le ph´enom`ene de migration lat´erale initialement mis en ´evidence par Segr´e et Silberberg (1962) ´evoluait lorsque le nombre de Reynolds ´etait augment´e jusqu’`a la transition vers la turbulence. Nous avons ainsi pu mettre en ´evidence l’apparition d’une seconde position d’´equilibre pour des nombres de Reynolds sup´erieurs `a 600. Les r´esultats exp´erimentaux ont ´et´e compar´es aux pr´edictions du calcul de la force lat´erale par une m´ethode de d´eveloppement asymptotique raccord´e. La deuxi`eme partie traite le probl`eme de l’influence de particules isodensit´e sur l’apparition de l’intermittence dans la conduite. Nous avons observ´e exp´erimentalement que les plus petites particules (Rep< 1) retardaient la transition en augmentant la viscosit´e effective, alors qu’il existait pour les particules telles que Rep> 1 une plage de concentration o`u la transition pouvait ˆetre avanc´ee. Nous avons propos´e une loi d’´echelle qui permet de ramener les r´esultats exp´erimentaux sur une courbe maˆıtresse
Though present in many industrial situations, pipe flow of suspensions remains poorly understood. We have investigated in this work how this type of flow is impacted when inertia is not negligible. The first part presents the problem of the lateral migration of a rigid sphere in Poiseuille flow. We studied experimentally how the Segr´e and Silberberg migration (1962) was affected by inertia for Reynolds numbers up to the beginning of intermittency. We have observed that another radial equilibrium position exists for Re > 600. Experimental results were compared to the predictions of a method of matched asymptotic expansions. The second part is an invertigation of the influence of neutrally buoyant particles on the transition to intermittency. We observed experimentally that the smaller particles (Rep< 1) moved the transition to larger Reynolds numbers via an increase in the effective viscosity. For the particles such as Rep> 1, there is a range of concentration for which transition is moved to lower Reynolds numbers, and to larger Reynolds numbers above a critical volume fraction. We proposed a scaling law which collapses all data on a master curve

Etude numérique du système d'équations aux dérivées partielles régissant les écoulements transitoires gaz-liquide en conduite. Résolution par une méthode combinant la méthode de Chebyshev, pour l'approximation en espèce et le schéma de beam-waining, pour l'approximation en temps. Comparaison avec les résultats obtenus par décomposition des discontinuités

Ce travail, a la fois theorique et experimental, porte sur le theme des ecoulements mixtes de fluides viscoelastiques dans les conduites a travers des changements de section brusques. L'etude theorique consiste en une modelisation numerique de l'ecoulement plan d'un fluide d'oldroyd-b dans trois geometries differentes: un retrecissement, un elargissement, une succession periodique de retrecissements et d'elargissements. Le probleme adimensionnel depend de trois parametres hydrodynamiques: un nombre de reynolds, un nombre de weissenberg et le rapport des temps caracteristiques du fluide. Les equations de l'ecoulement sont resolues a l'aide d'une methode numerique aux differences finies dans un certain domaine de valeurs du nombre de weissenberg. L'examen des reseaux de lignes de courant montre que l'inertie et l'elasticite exercent des effets antagonistes sur les tourbillons de recirculation. Les resultats obtenus sont en bon accord avec d'autres etudes similaires. Le fluide utilise dans la veine d'essai, constituee de retrecissements periodiques, est une solution diluee d'un polymere a haute masse moleculaire dont le comportement rheologique est bien traduit par une loi d'oldroyd-b. L'ecoulement est explore a l'aide d'une methode de visualisation par traceurs solides associee a un logiciel informatique d'analyse des cliches. L'accord entre le modele et l'experience est satisfaisant dans le domaine des faibles nombres de reynolds

La transition vers la turbulence pour un fluide rhéofluidifiant avec seuil en écoulement dans une conduite cylindrique est étudiée. Une analyse linéaire de stabilité est effectuée moyennant des approches modale et non modale. Les résultats numériques montrent que l'écoulement de Hagen-Poiseuille d'un fluide à seuil est linéairement stable. L'effet du comportement rhéologique du fluide sur les caractéristiques de la perturbation optimale est clairement mis en évidence. Pour de faibles valeurs du nombre d'Herschel-Bulkley (Hb << 1), la perturbation optimale se présente pratiquement sous forme de rouleaux longitudinaux et l'amplification de l'énergie est assurée par le mécanisme lift-up. Par contre pour des valeurs suffisamment élevées de Hb, la perturbation optimale est axisymétrique et l'amplification de l'énergie est assurée par le mécanisme Orr. D'un point de vue expérimental, l'écoulement d'une solution de Carbopol à 0.2 % en masse dans une conduite cylindrique est étudié à partir de la mesure des profils des vitesse axiale et analyse statistique des fluctuations de celle-ci. Il a été constaté qu'en régimes laminaire et turbulent, les profils moyens (au sens temporel) sont axisymétriques et présentent une asymétrie croissante avec le nombre de Reynolds lors de la transition. Une description tridimensionnelle de cette asymétrie a été obtenue à partir des profils de vitesse axiale mesurés à différentes positions angulaires. Les résultats obtenus suggèrent l'existence d'une structure cohérente robuste constituée de deux rouleaux longitudinaux contra-rotatifs de longueur comparable à celle du dispositif expérimental. L'analyse statistique des fluctuations de la vitesse axiale fait apparaître deux phases lors de la transition vers la turbulence. Dans la première phase, le système passe du régime laminaire à un état non linéaire asymétrique où les spectres de puissance sont très similaires à ceux observés dans le cas d'une turbulence bidimensionnelle. La deuxième phase correspond au passage de cet état asymétrique à un régime turbulent avec apparition de spots classiques de la turbulence hydrodynamique
The transition to turbulence for shear-thinning fluid with a yield-stress in a cylindrical pipe flow is studied. A linear stability analysis is performed using modal and non-modal approches. The numerical results show that the Hagen-Poiseuille flow of yield stress fluid is linearly stable. The effect of rheological behavior of the fluid on the characteristics of the optimal perturbation is clearly highlighted. At very low Herschel-Bulkley number (Hb << 1), the optimal perturbation consists of almost streamwise vortices, and the amplification of the kinetic energy is provided by the lift-up mechanism. In contrast for sufficiently large values of $Hb$, the optimal perturbation is axisymmetric and the growth of the kinetic energy is provided by the Orr-mechanism. From experimental point of view, the flow of 0.2 wt % aqueous solution of Carbopol 940 in a pipe is investigated from the measurement of the mean, i.e., time-averaged, axial velocity profiles as well as the statistical analysis of the fluctuations. It is observed that the velocity profiles are axisymmetric in the laminar and turbulent regimes, and present an increasing asymmetry with increasing Reynolds number in the transitional regime. A three-dimensional description of this asymmetry is provided from velocity profiles measurements at different azimuthal positions. The observed transitional flow suggest the existence of a robust non-linear coherent structure characterized by two weakly modulated counter-rotating longitudinal vortices, which length is comparable to that of the test section. The statistical analysis of the axial velocity fluctuations indicate that the transition occurs essentially in two stages. The first stage corresponds to the transition from the laminar regime to a stable non linear asymmetric state, where the spectra of axial velocity fluctuations are similar to those obtained in the case of two-dimensional turbulence. The second stage corresponds to the transition from this non linear asymmetric state to the hydrodynamic turbulence with the apparition of the classical spots of turbulence

Cette étude porte sur le transfert thermique entre un bain d'HeII pressurisé et un écoulement forcé d'HeII diphasique. Nous avons confirmé des résultats précédents ayant mis en évidence une amélioration de l'échange thermique à forte vitesse de vapeur par rapport à celui attendu. Nous sommes en mesure d'expliquer cette amélioration par la présence d'un film liquide de quelques microns sur les parois, mesuré par une sonde capacitive pariétale. En parallèle, nous avons détecté et caractérisé un brouillard de gouttes qui apparaît également à forte vitesse de vapeur. A partir de cette caractérisation, nous avons tenté d'estimer la puissance frigorifique fournie par les gouttes heurtant la paroi, pour la comparer aux non-linéarités observées du transfert thermique. Cette approche suggère que c'est bien le brouillard qui conduit à la formation du film en paroi, même si, faute d'un modèle complet de dépôt des gouttes, nous ne pouvons confirmer définitivement ce scénario.

Une étude expérimentale et numérique de l'évolution d'écoulements diphasiques à bulles ascendants dans une conduite verticale est présentée. Elle est motivée par le manque d'informations disponibles sur l'influence des phénomènes d'entrée et d'évolution de la taille des bulles sur le développement tridimensionnel de ces écoulements. L’évolution axiale d'écoulements diphasiques à bulles pouvant aller jusqu'a la transition bulles-poches est tout d'abord étudiée expérimentalement. Pour la première fois, des profils de vitesse moyenne axiale et d'intensité turbulente axiale du liquide associes a des profils de taux de vide, de fréquence de bulles, de composante axiale de vitesse moyenne des interfaces, de diamètre moyen équivalent de bulles et d'aire interfaciale volumique sont déterminés en plusieurs sections de la même conduite. Une analyse des phénomènes de transition entre écoulements à bulles et à poches est menée a partir de l'analyse simultanée de l'évolution axiale des différents profils de grandeurs caractéristiques obtenus. Une analyse locale de l'évolution des écoulements à bulles étudiés associée a des comparaisons avec une étude expérimentale de la littérature montre que le développement d'un écoulement à bulles n'est pas sensible à la forme du profil de taux de vide à l'injection mais que la taille des bulles a une forte influence sur la répartition transverse des phases. Des simulations multidimensionnelles d'écoulements diphasiques à bulles caractérisés par des conditions d'injection des phases très différentes sont enfin réalisées à l'aide du code diphasique eulérien tridimensionnel Astrid. Nous montrons que les modèles classiquement utilises pour la fermeture du bilan transverse de quantité de mouvement (forces de portance et de diffusion) ne permettent pas la simulation du développement tridimensionnel des écoulements à bulles en conduite

Actuellement l'état des connaissances sur l'hydrodynamique et la thermique des écoulements de suspensions newtoniennes et non newtoniennes ne permet pas de bien appréhender les problèmes liés à la stérilisation des écoulements chargés en particules dans l'industrie alimentaire. A ce jour, l'influence de la phase des particules solides sur l'écoulement n'est toujours pas très bien connue et pourtant c'est elle qui détermine la rhéologie du mélange et donc toute la Thermomécanique de ces écoulements. Les objectifs de ce travail expérimental sont de vérifier si les modèles rhéologiques établis pour des suspensions de particules de structure microscopique peuvent s'appliquer à des suspensions de "grosses" particules et d'expliquer les problèmes liés aux mécanismes de transfert de chaleur entre la suspension et la paroi. Les études menées, ont montré que le modèle de milieu effectif est efficace dans l'analyse de la perte de charge pour les fluides newtonien et non newtonien, en régimes laminaire et turbulent en situation isotherme. La migration latérale des particules vers l'axe de la conduite contribue à la modification de la rhéologie du mélange. La sédimentation observée et les interactions entre le fluide porteur et les particules sont à l'origine de la non homogénéité des suspensions en écoulement isotherme. Le transfert thermique est influencé par les particules. Le développement de la couche limite thermique est perturbé par la présence des particules. L'objectif est la maîtrise de la stérilisation en continu, des fluides alimentaires chargés de particules, par procédés thermiques. Le fluide porteur s'organise en anneau monophasique qui entoure la zone des particules au centre du tube. Cette organisation de l'écoulement chargé est néfaste puisqu'il fait émigrer les particules vers la zone froide où la stérilisation est difficile.

Ce travail est consacre au developpement d'un procede original de mesure de la vitesse de debit en conduite dont le principe est base sur la mesure en paroi des fluctuations de pression resultant d'une excitation acoustique a frequences discretes au sein du fluide. L'etude des phenomenes de propagation acoustique en conduite rigide ou elastique en presence d'un ecoulement cisaille a conduit a etablir deux modeles analytiques permettant une bonne representation de la pression acoustique. Ils se rapportent a deux gammes distinctes de nombres de mach et sont fondes respectivement sur une approximation de la constante de propagation au premier ordre par rapport au nombre de mach et sur le modele de propagation en ecoulement uniforme. Trois methodes distinctes sont alors definies, selon la gamme des nombres de mach permise par les installatioins d'essai, a partir d'une relation entre la vitesse de debit et le dephasage entre deux pressions associee a une condition de frequence. Pour faciliter leur application, une etude experimentale des caracteristiques acoustiques des conduites d'essai (coefficient de reflexion, celerite des ondes acoustiques, fluctuations de pression turbulente) est effectuee avec des techniques d'analyse spectrale large bande. Les methodes de mesure de la vitesse de debit sont testees sur deux bancs experimentaux (un circuit hydraulique et un circuit aeraulique) et comparees avec les resultats obtenus par d'autres moyens de mesure. La tres bonne qualite des resultats obtenus montre la validite de ces procedes dans la gamme des debits generes dans les conduites d'essai. A partir d'une simulation numerique, les erreurs liees aux defauts des chaines de mesure sont analysees par rapport aux differents parametres qui interviennent dans l'expression des pressions acoustiques

Ce travail présente une analyse numérique et expérimentale du refroidissement avec changement de phase, d'un fluide pseudoplastique thermodépendant en écoulement dans une conduite horizontale soumise à une condition de convection externe uniforme. On s'intéresse plus particulièrement à l'étendue de la zone avant le changement de phase, aux évolutions du profil de l'interface liquidesolide, du profil de vitesse axiale, des pertes de charge et à celle du nombre de Nusselt local. L'effet du caractère thermodépendant du fluide a été mis en évidence
This work presents a numerical and experimental investigation of cooling with solidification for thermodependant pseudoplastic fluid, flowing in an horizontal duct subjected to a uniform external convection. We are especially interested in the liquid-solidification free length and the evolution of the liquid-solid interface, axial velocity profile, pressure drop and the evolutions of the local Nusselt number. The effect of temperature dependant character of the fluid is put in evidence

Le melange en regimes d'ecoulements laminaire et turbulent est simule dans une conduite principale parallepipedique comportant une injection perpendiculaire. La discretisation des equations gouvernant le probleme est effectuee par la methode aux volumes finis et la modelisation de la turbulence est realisee par le modele k,. La performance en regime turbulent de ce type de melangeur, designe ici par melangeur en t, est egalement etudiee de facons globale et locale a l'aide de techniques experimentales basees sur le principe de fluorescence induite par laser. L'influence du nombre de reynolds du courant principal et du rapport de vitesse d'entree des deux fluides est etudiee. Il ressort que le rapport de vitesse est un parametre determinant dans ce type d'ecoulement puisqu'il induit ou non, selon sa valeur, un jet impactant la paroi opposee a l'injection, ce qui tend a favoriser le melange

Étude expérimentale de l'influence des rugosités sur le développement de la couche limite. Mesures directes du frottement pariétal sur une paroi lisse et sur une paroi rugueuse à l'aide d'une balance à éléments flottants. A partir de la numérisation du signal anémométrique, on déduit le taux de turbulence, les facteurs de dissymétrie et d'aplatissement. Mise en évidence des zones de production, de transfert et de dissipation de l'énergie turbulente.

Ce travail traite de contributions expérimentales sur les écoulements monophasiques et diphasiques (à bulles) dans une jonction, « bidimensionnel » horizontal « Té ». Ces contributions concernant l'amont, l'aval et le cœur de la jonction (au voisinage de la singularité). Dans un premier temps, nous examinons le cas d'un écoulement monophasique. Dans cet écoulement, la visualisation a joué un rôle important pour déterminer sa direction. Ensuite, les mesures de la pression, et de la vitesse du liquide par le film chaud, nous ont permis d'une part de décrire la structure de l'écoulement et de déterminer l'organisation de l'écoulement au voisinage de la singularité. Dans un deuxième temps, cette étude est étendue au cas des écoulements diphasiques (à bulles). Les grandeurs mesurées concernent la pression, le taux de vide, la vitesse des bulles, la granulométrie des bulles et la vitesse liquide en présence de la phase dispersée. La banque des données expérimentales ainsi constituée sur ce genre de jonction « Té » nous a permis de décrire localement la structure complète de l'écoulement. En effet, la présence d'une jonction provoque une déformation des profils de la phase dispersée (pression, taux de vide, vitesse des bulles, granulométrie des bulles). On note que la présence de la phase dispersée dans la phase continue affecte la structure locale de l'écoulement monophasique

De nouvelles mesures de la perte de charge diphasique et du taux de vide local ont ete effectuees pour ecoulement diphasique adiabatique ou en condensation dans un canal de section rectangulaire (lisse, arrangement d'obstacles en ligne ou en quinconce). Des correlations du taux de vide et du coefficient diphasique de frottement sont developpees a partir des donnees. Des comparaisons entre la chute de pression et l'intensification du transfert thermique sont presentees. Les points experimentaux sont determines dans des conditions industrielles de fonctionnement. Des cartes experimentales de repartition de taux de vide donnent des informations sur la distribution d'un ecoulement diphasique dans un arrangement d'obstacles. Nous demontrons que l'etude de la fonction densite de probabilite des fluctuations du taux de vide peut etre utilisee comme un indicateur objectif pour determiner le type de l'ecoulement diphasique en presence: ecoulement a bulles, a bouchons ou annulaire

La synthèse bibliographique porte principalement sur une configuration fortement documentée : l'écoulement entre plaques planes présentant un élargissement brusque sur une face. Une méthode expérimentale permettant de déterminer le coefficient d'échange local par convection à la surface d'une paroi thermiquement épaisse est ensuite présentée. Les conditions expérimentales de température sont appliquées comme conditions aux limites à un modèle numérique de la paroi. La résolution de l'équation de la chaleur dans ce modèle permet d'obtenir la densité locale de flux de chaleur échangée à la surface soumise à l'écoulement. En pratique, la distribution de température de surface est obtenue par thermographie infrarouge en utilisant une méthode de soustraction d'images thermiques. Cette méthode est validée dans le cas de l'écoulement entre plaques planes présentant un élargissement brusque sur une face. Des résultats complémentaires permettent de mieux comprendre l'influence des caractéristiques de l'écoulement en amont de l'élargissement sur le transfert de chaleur convectif en aval. En dernier lieu, cette méthode a été appliquée au cas de l'écoulement dans une jonction en t avec séparation des courants, en s'intéressant au transfert de chaleur dans la branche latérale. La comparaison des cartes du coefficient d'échange par convection aux champs moyens des vitesses obtenus par P. I. V. A permis d'associer les différentes zones du transfert de chaleur à celles de l'écoulement. Les influences respectives du rapport des débits et de la vitesse dans la branche latérale sont détaillées.

Des réactions physico-chimiques à l'interface solide-liquide sont à l'origine d'une distribution de charge: la double couche électrique (DCE). Au repos, après un temps de développement, la DCE atteint l'équilibre, caractérisé principalement par son épaisseur et par la densité volumique de charge dans le liquide, près de l'interface. Lors de la mise en écoulement, le déplacement du liquide convecte une partie des charges (la couche diffuse) modifiant l'équilibre statique, et provoquant un courant de paroi. Ce courant de paroi évolue jusqu'à atteindre un équilibre dynamique. L'étude de ce processus transitoire permet de mieux comprendre ce phénomène. Ainsi, des expériences ont été menées avec pour objectif la détermination de la densité volumique de charge près de l'interface et l'estimation des taux des réactions à l'interface. Puis, un premier modèle a été développé tenant compte du régime transitoire. Ce modèle se sert des grandeurs "macroscopiques" comme la conductivité moyenne du liquide et des taux de réaction globaux. Certaines hypothèses adoptées pour ce modèle, concernant notamment l'indépendance des taux de réaction de la vitesse de l'écoulement, et le temps d'établissement de la DCE en direction normale à la paroi ont été analysées. Un deuxième modèle dit "microscopique" a ensuite été développé pour entre autre s'affranchir de ces hypothèses. Ce modèle a été implanté dans Code_SATURNE, un logiciel de mécanique des fluides développé par EDF. Il permet d'envisager la simulation du phénomène dans des géométries compliquées et à grande échelle
Physicochemical reactions occurring at a solid-liquid interface are responsible for a charge zone called electrical double layer. At rest, the electrical double layer evolves during a certain development time, to reach an equilibrium charge distribution characterised by its thickness and by the space charge density in the liquid near the wall. Once the liquid is put in movement, the flow convects a part of these charges (the diffuse layer) modifying static equilibrium. As a result, a wall current develops and evolves to reach dynamic equilibrium. The analysis of the transient state allows for better understanding of this phenomenon. In this context, experiments have been made to determine the space charge density in the liquid near the wall and to estimate the reaction rates at the interface. Then, a first model was developed including transient state. This model uses global reaction rates and macroscopic quantities like liquid's bulk conductivity. Some hypotheses adopted for this model, concerning the independence of reaction rates on flow velocity or the formation time of the double layer profile normal to the wall where then analysed. In order to avoid using these hypotheses, a second model called "microscopic" was developed and implanted in Code_SATURNE, a fluid mechanics code created by "Electricité de France". This model will allow the simulation of flow electrification phenomena in complicated geometries and at industrial scale

Cette thèse est une contribution expérimentale à l'étude de la convection thermique en régime laminaire, transitoire et turbulent pour un fluide à seuil en écoulement dans une conduite cylindrique ou annulaire. Le fluide utilisé est une solution de carbopol neutralisée. En régime laminaire, l'écoulement unidirectionnel d'un fluide à seuil est caractérisé par la présence, dans la partie centrale, d'une zone isovitesse. La fin du régime laminaire, déterminée à partir des mesures de pression et de vitesse, est retardée par la présence d'un seuil d'écoulement. Le début de la transition se manifeste par des instabilités en présence d'une zone isovitesse stable. Ce régime particulier pour le fluide à seuil est caractérisé. Par la suite, des bouffées turbulentes envahissant toute la section de la conduite, sont observées et comparées à celles obtenues pour un fluide newtonien. En régime turbulent, seuls les effets dus aux caractères rhéofluidifiants et élastiques des fluides utilisés sont mis en évidence. Enfin, l'évolution du coefficient de transfert de chaleur dans les différents régimes est déterminée montrant clairement l'effet des propriétés rhéologiques
This work is an experimental contribution to the study of thermal convection in laminar, transitional and turbulent flow of a yield stress fluid through a cylindrical or annular pipe. The fluid used is a neutralized solution of carbopol. For one-dimensional shear flows, the fully established laminar velocity profile of yield stress fluid has a central plug region. According to the pressure and velocity measurements, a delay in transition is observed for the yield stress fluid. The beginning of transition shows up by instabilities in presence of a stable plug flow. This peculiar regime has been found only for the yield stress fluid. Then, turbulent spots, which fill the pipe cross-section, are obtained and compared to that for newtonian fluids. In turbulent flow, only the shear-thinning and elastic effects of the fluids used are observed. Finally, the evolution of the heat transfer coefficient is determined in the different regimes showing the effects of the rheological properties

L'objectif de cette thèse est de fournir une analyse de la transition vers la turbulence d'un fluide rhéofluidifiant (fluide de Carreau) dans une conduite cylindrique. Pour cela, un code pseudo-spectral de type Petrov-Galerkin a été développé. Une analyse linéaire de stabilité de l'écoulement laminaire est effectuée, montrant que cet écoulement est linéairement stable. Ensuite, des perturbations sous la forme des rouleaux longitudinaux contra-rotatifs sont utilisées comme condition initiale. Les termes non linéaires d'inertie et visqueux créent un écoulement secondaire avec des points d'inflexion, linéairement instable vis-à-vis de perturbations 3D. Une analyse linéaire de stabilité de ce nouvel écoulement de base bidimensionnelle est réalisée. La forme des vecteurs propres critiques est analysé. Enfin, une analyse non linéaire de stabilité de rouleaux vis-à-vis des perturbations tridimensionnelles de faible amplitude est effectuée, obtenant un retard pour la transition vers la turbulence des fluides rhéofluidifiants par rapport au cas Newtonien et une tendance à l'asymétrie du profil de vitesse axiale
The main objective of this thesis is to provide a description of the transition to turbulence of a shear thinning fluid in pipe flow. A linear stability analysis of the base flow is done. Results show that the flow is linearly stable and the optimal perturbation is given by a pair of counter rotating vortex. This kind of perturbation is used as an initial condition of a computational code which integrates the governing equations. Inertial and viscous non linear terms generate a secondary base flow with inflection points, which is linearly unstable to 3D perturbations. A secondary instability analysis is done, regarding the shape of unstable eigenvectors. Depending the rheological parameters and the size of the primary perturbation, the unstable mode might be near the wall or the center of the pipe. Finally, a non linear stability analysis of the streaks to 3D perturbations of weak amplitude, obtaining a delay in the transition to turbulence due to shear thinning

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

Cette étude porte sur le transfert thermique entre un bain d'HeII pressurisé et un écoulement forcé d'HeII diphasique. Nous avons confirmé des résultats précédents ayant mis en évidence une amélioration de l'échange thermique à forte vitesse de vapeur par rapport à celui attendu. Nous sommes en mesure d'expliquer cette amélioration par la présence d'un film liquide de quelques microns sur les parois, mesuré par une sonde capacitive pariétale. En parallèle, nous avons détecté et caractérisé un brouillard de gouttes qui apparaît également à forte vitesse de vapeur. A partir de cette caractérisation, nous avons tenté d'estimer la puissance frigorifique fournie par les gouttes heurtant la paroi, pour la comparer aux non-linéarités observées du transfert thermique. Cette approche suggère que c'est bien le brouillard qui conduit à la formation du film en paroi, même si, faute d'un modèle complet de dépôt des gouttes, nous ne pouvons confirmer définitivement ce scénario.