Дисертації з теми "Transferts advectifs"

Les géomembranes des étanchéités composites présentent fréquemment des défauts qui constituent des passages préférentiels d'écoulement pour les lixiviats. Plusieurs auteurs ont développe des modèles mathématiques et des équations empiriques pour interpréter les débits de fuite, générés par les transferts advectifs obtenus au laboratoire et les étendre aux conditions de terrain en régime permanent, pour une transmissivité d'interface uniforme, un sol et une interface saturés en eau. La synthèse bibliographique réalisée permet de déterminer les limites de validité des modèles mathématiques et des équations empiriques existantes, pour une transmissivité d'interface uniforme. Il s'avère que la transmissivité d'interface dans les étanchéités composites est non uniforme. Le travail de thèse a donc consiste à étudier l'influence a travers différents outils de cette non-uniformité. Le développement de solutions analytiques basées sur les modèles mathématiques existants tout comme des expérimentations de laboratoire et de terrain ont permis de montrer l'influence de la prise en compte des non-uniformités de l'interface et du positionnement des défauts dans la géomembrane par rapport à celle-ci. Toutes les observations réalisées montrent la nécessité pour progresser dans la connaissance de transferts advectifs de pouvoir disposer d'une cartographie précise de la transmissivité d'interface et des défauts dans la géomembrane, à l'échelle d'un site. Deux méthodes ont d'ailleurs été testées au cours de la thèse pour décrire les états de surface de géomembranes et d'un limon compacté.

Les géomembranes des étanchéités composites présentent fréquemment des défauts qui constituent des passages préférentiels d'écoulement pour les lixiviats. Plusieurs auteurs ont développé des modèles mathématiques et des équations empiriques pour interpréter les débits de fuite, générés par les transferts advectifs obtenus au laboratoire et les étendre aux conditions de terrain en régime permanent, pour une transmissivité d'interface uniforme, un sol et une interface saturés en eau. La synthèse bibliographique réalisée permet de déterminer les limites de validité des modèles mathématiques et des équations empiriques existantes, pour une transmissivité d'interface uniforme. Il s'avère que la transmissivité d'interface dans les étanchéités composites est non uniforme. Le travail de thèse a donc consiste à étudier l'influence à travers différents outils de cette non-uniformité. Le développement de solutions analytiques basées sur les modèles mathématiques existants tout comme des expérimentations de laboratoire et de terrain ont permis de montrer l'influence de la prise en compte des non-uniformités de l'interface et du positionnement des défauts dans la géomembrane par rapport à celle-ci. Toutes les observations réalisées montrent la nécessité pour progresser dans la connaissance de transferts advectifs de pouvoir disposer d'une cartographie précise de la transmissivité d'interface et des défauts dans la géomembrane, à l'échelle d'un site. Deux méthodes ont d'ailleurs été testées au cours de la thèse pour décrire les états de surface de géomembranes et d'un limon compacté
Geomembranes of composite liners often exhibit holes representing preferential advective flow paths for leachate. Various authors have developed mathematical models and empirical equations in order to interpret flow rates due to advective transfers obtained in the laboratory and extrapolate them to field conditions, for steady-state flow, unifrom interface transmissivity, and saturated soils and interfaces. Limits of validity of these mathematical models and empirical equations were determined for a uniform interface transmissivity. But the transmissivity proves to be non-uniform. The work performed thus consisted in studying the influence of this non-uniformity on flow rates thanks to analytical equations and experimental devices. The influence of the respective location of the hole in the geomembrane as well as the spatial repartition of transmissivity. For this latestt point two methods were used during the PhD in order to describe geomembrane and compacted soil surfaces topography

L'étanchéité composite géomembrane(GM)-géosynthétique bentonitique (GSB) mise en place dans les barrières de fond d'installations de stockage de déchets non dangereux (ISDnD) peut être sujette à des transferts advectifs liés à l'existence de défauts dans la GM. Les lixiviats peuvent percoler dans le GSB, pénétrer dans le sol et les nappes phréatiques sous-jacentes ce qui peut nuire à l'environnement. Il est donc important de comprendre les mécanismes de transferts dans les étanchéités composites GM-GSB et de les quantifier afin de connaitre, maitriser et minimiser l'impact des transferts advectifs à travers la barrière vers l'environnement. Cependant, l'inaccessibilité de la GM rend difficile l'estimation réelle des fuites à travers l'étanchéité composite. La présente thèse évalue via une démarche expérimentale et numérique les transferts advectifs à travers les étanchéités composites et contribue à améliorer la compréhension des mécanismes de transfert en fonction des sollicitations extérieures. Le but est de bien cerner la problématique des transferts advectifs à travers les étanchéités composites GM-GSB, combler les vides des précédentes études et mettre en évidence les principaux paramètres à prendre en compte (contrainte de confinement, hétérogénéité du GSB, qualité de contact à l'interface GM-GSB, altération chimique et physique des GSB durant leur durée de service sur site). Leur influence sur l'étanchéité de l'ensemble et sur l'évolution des caractéristiques des matériaux utilisés est étudiée. L'approche expérimentale a consisté à acquérir des données sur la rétention d'eau et à introduire la notion des surfaces d'états des GSB sous le confinement généré par les déchets. Il a été démontré que le confinement réduit le gonflement du GSB lors de son hydratation ce qui permet de diminuer sa conductivité hydraulique à saturation. Ce résultat renforce les recommandations appelant à confiner rapidement les GSB après leur mise en place afin qu'ils acquièrent rapidement toutes leurs capacités d'étanchéité. Cette étude expérimentale a été complétée par une quantification numérique des transferts à travers les étanchéités composites en prenant en compte le caractère hétérogène du GSB. Cette étude numérique de prédiction des fuites a fourni de précieux renseignements sur la réduction des débits de fuite qui s'est avérée dépendante des courbes de rétention respectives du géotextile et de la bentonite. En effet, en plus de contenir la bentonite et de promouvoir la résistance aux efforts de traction, le géotextile contribue à la réduction des débits de fuite grâce sa faible perméabilité une fois désaturé. Des expérimentations de mesure du débits de fuites et de quantification de la transmissivité d'interface pour différentes combinaisons d'étanchéités composites GM-GSB ont permis de conclure que ni les sollicitations extérieures conduisant à l'altération chimique, physique et hydraulique des GSB, conduisant à augmenter la conductivité hydraulique du GSB de 4 à 5 ordres de grandeurs, ni la qualité de la GM (en lien avec la rugosité, rigidité, épaisseur) n'affectent significativement les transferts dans les étanchéités composites GM-GSB en régime permanent. Un effet est décelé sur le régime transitoire. Une approche synthétique est enfin donnée et permet une analyse globale des transferts dans les étanchéités composites GM-GSB afin de prévoir au mieux l'impact des transferts dans les barrières vers l'environnement. Il a été confirmé que le gonflement de la bentonite intervient dans la réduction du débit de fuite à travers les étanchéités composites indépendamment de la forme granulométrique de la bentonite. Par ailleurs, il a été conclu que la phase transitoire durant laquelle une réduction des débits de fuites à travers la barrière d'étanchéité composite est observée, doit être prise en compte dans les calculs de fuites pour une prédiction réaliste et rigoureuse des fuites à travers la barrière
Geomembrane (GM)-geosynthetic clay liner placed in bottom landfill barriers could be faced to advective transfers caused by the appearance of GM defects. Leachate could percolate naturally through the GCL; penetrate the soil and the ground water which could result in environmental damage. It's therefore important to understand leakage transfer mechanism though GM-GCL composite liners and quantify them in order to be aware, to master and to minimize advective transfer impact through the barrier to the environment. However, the GM is not accessible in bottom land fill liner which makes it harder to correctly estimate leakage through the composite liner. The present work used to evaluate advective transfer through GM-GCL composite liner via an experimental and numerical approach. This work used also to ameliorate the comprehension of leakage transfer mechanisms as a function of external solicitations compared to the literature. The purpose of this study was thus to properly identify advective transfer problem through composite liner by highlighting the main parameters affecting advective transfers through composite liners (confining stress, heterogeneity of the GCL composition, contact quality at the GM-GCL interface, chemical and physical alteration during its service life). Those parameters influence the whole barrier performances and material characteristics evolution were studied. Experimental program was dealing with acquiring water retention data of GCL by introducing state surface concept under the confining stress generated by the waste. It has been found that confining stress used to reduce GCL swelling facilities while hydrated and consequently lead to the decrease of the saturated hydraulic conductivity. This result emphasizes on landfill conception recommendations based on rapidly covering the GCL in in order to acquiring its watertightness capabilities. This experimental study was reinforced by a numerical computation study dealing with water transfer through composite liner due to a GM defect and a hydraulic head with considering the heterogeneity of the GCL. This numerical study highlighted new phenomena regulating flow rate through composite liners consisting of geotextile deaturation due to high suction performed by the bentonite as part of the GCL. Indeed, in addition to containing the bentonite and providing tensile shear stresses, the geotextile contribute to reduce the flow rate through composite liner thanks to its high hydraulic conductivity while desaturated. Interface transmissivity tests were also carried for different composite liners combinations. Measurements concluded that neither external solicitations resulting from chemical and physical alteration conducting to the increase of the hydraulic conductivity of the GCL nor the quality of the GM (in relation with its roughness, rigidity and thickness) significantly affect advective transfer through composite liners at the steady state. However an effect was highlighted during transient state. A synthetic approach was thus given to summarize composite liners transfers mechanism and anticipate environmental impact of its leakage. It was later confirmed that the bentonite swelling contributes also to flow rate reduction through composite liner regardless of the bentonite nature and granulometry. In addition, it has been concluded that the transient state within which flow rate reduction though has been observed must be taken into consideration to realistically predict flow rate leakage through composite liners

La perturbation des écoulements au voisinage de la paroi artérielle équipée d'un stent joue un rôle prépondérant dans l'apparition et le développement des complications liées aux maladies cardiovasculaires (sténose, resténose, thrombose...). La topologie de l'écoulement dans ces régions est très complexe. En effet, au voisinage du stent, des zones de recirculation se forment en amont et aval de chaque branche et les contraintes pariétales y sont très faibles. Des études in vivo et in vitro ont mis en évidence le rôle de ces caractéristiques de l'écoulement intra-stent sur les maladies cardiovasculaires. Pour cela, la bonne estimation des contraintes pariétales et la compréhension du comportement de l'écoulement intra-stent et son rôle dans le transfert du principe actif devraient permettre d'optimiser les traitements (design de la prothèse, principe actif...). L'approche numérique est une voie très utile pour étudier ces phénomènes. Cependant, la bonne précision du calcul dépend du choix du modèle d'écoulement, des conditions aux limites, de la géométrie du stent et de l'artère pour réaliser une simulation pertinente.Nous étudions ici dans un premier temps l'effet du choix du modèle hémodynamique sur les caractéristiques de l'écoulement intra-stent. Trois modèles numériques décrivant l'écoulement coronaire ont été utilisés. Ces modèles sont : un modèle stationnaire "MP", le modèle pulsé simplifié "MPS" et le modèle pulsé complet "MPC" basé sur l'analyse de Womersley. Nous avons ainsi montré l'importance de la prise en compte de l'instationnarité de l'écoulement mais au dépens d'un temps de calcul très accru. Dans un second temps, nous étudions expérimentalement l'écoulement intra-stent en utilisant la technique de mesure "PIV". Cette étude expérimentale a permis de confirmer les résultats numériques précédents. Au final, nous examinons numériquement l'effet de la pulsatilitié de l'écoulement sur les flux massiques libérés par les faces d'une branche de stent actif. Cette étude numérique a mis en exergue l'importance du couplage entre les recirculations et le transfert de masse vers la paroi artérielle
The disturbance of the flow in the vicinity of the arterial wall equipped with a stent plays a key role in the onset and development of complications related to cardiovascular diseases (stenosis, restenosis, thrombosis...). The topology of the flow field in the intra-stent zone is very complex. Indeed, in the vicinity of the stent, recirculation zones form upstream and downstream of the stent strut where wall shear stress is very low. In vivo and in vitro studies have demonstrated the role of the in-stent flow features on cardiovascular diseases.The correct estimation of the wall shear stress, the understanding of the behavior of the in-stent flow and its role in the transfer of the drug are expected to help optimize treatments (stent geometry, drug composition...). The numerical approach (CFD) is a useful and versatile way to study these phenomena. However, the accuracy and the relevance of the results depend on the choice of the flow model, the boundary conditions and the stent and artery geometry.Firstly we study in this work the impact of the hemodynamic model on the in-stent flow characteristics. Three numerical models describing the coronary flow are used. These models are: the steady model "MP", the simplified pulsatile model "MPS" and the complete pulsatile model "MPC" based on Womersley's analysis. We show the importance of the pulsatility of the flow but at the expense of a high increase in the computing time. Secondly we study experimentally the in-stent flow using measurement technique "PIV". This experimental study confirms the previous numerical results. Finally we examine numerically the effects of the flow pulsatility on the mass fluxes released by the faces of a drug eluting stent. This numerical study highlights the importance of the coupling between the recirculation zones and the mass transfer into the arterial wall

.Dans cette thèse, il a été étudié la structure des milieux poreux, en particulier sur des sols sableux et un paquet virtuel de sphères; Sur la base de références bibliographiques, nos propres outils ont été créés pour calculer la porosité, la surface spécifique et la distribution de la taille des pores. Nous avons construit un algorithme pour résoudre l'équation de diffusion de l'advection directement sur la structure du milieu poreux (en utilisant un résultat d'image 3D du scan $ mu $ CT du support poreux). Nous avons utilisé l'opérateur de division pour calculer la partie advective avec une méthode de volume fini (FV), mettant en œuvre un schéma de réduction de la variation totale (TVD). La partie diffusion a été calculée en utilisant une méthode de FV et avec l’aide du logiciel MUMPS pour résoudre le système linéaire résultant. A partir du champ de concentration obtenu avec l’algorithme et suivant une méthode de moyenne volumique, nous avons calculé les propriétés macroscopiques de: dispersivité et coefficient de dispersion à Pe = 223,23,2.3,0,23 pour un échantillon de sable de Fontainbleau NE34. Nous avons observé que ces résultats dépendent de la qualité de l'image 3D. Les propriétés structurelles et de transport ont été étudiées à l'aide d'images 3D à différentes résolutions. Les images à différentes résolutions ont été appelées images redimensionnées, elles ont été générées numériquement et prises directement à partir du micro CT scan. Comme premier résultat, nous avons proposé un critère basé sur la distribution de la taille des pores pour déterminer si une résolution d'image 3D convient ou non au calcul de la perméabilité d'un matériau granulaire avec une méthode de volume fini (FV). Dans un deuxième résultat, nous avons montré comment les propriétés des macros de transport de soluté sont moins affectées par une détérioration de la résolution que la propriété d’écoulement de la perméabilité (les deux cas sont calculés par une méthode FV). Et comme troisième résultat, nous avons montré qu'une image numérique redimensionnée préserve davantage le comportement des propriétés macroscopiques qu'une image réelle redimensionnée
In this thesis it was studied the structure of the porous media, particularly on a sandy soils and a virtual pack of spheres; based on bibliographic references here were generated our own tools to compute the porosity, specific surface and pore size distribution. We built an algorithm to solve advection diffusion equation directly on the porous media structure (using a 3D image result of the $mu $ CT scan of the porous media). We used the splitting operator to compute the advective part with a Finite Volume (FV) method, implementing a Total Variation Diminishing (TVD) scheme. The diffusion part was computed using with a FV method with the assistance of the MUMPS software to solve the resulting linear system. From the concentration field obtained with the algorithm and following a volume averaging method, we computed the macroscopic properties of: dispersivity and dispersion coefficient at Pe=223,23,2.3,0.23 for a sample of Fontainbleau NE34 sand. We observing that these results depend on the quality of the 3D image, structural and transport properties were studied using 3D images at different resolutions. The images at different resolutions were called rescaled images, and they were generated numerically and taken directly from the micro CT scan. As a first result we proposed a criterion based on the pore size distribution to assess if a 3D image resolution is suitable or not for permeability computation of a granular material with a finite volume (FV) method. As a second result we showed how the solute transport macro properties are less affected by a deterioration of the resolution than the flow property of permeability (both cases computed through a FV method). And as a third result we showed that a numerical rescaled image preserve the behavior of the macroscopic properties more than a real rescaled image

Les travaux de thèse sont consacrés à l’étude numérique de l’application de macro-déformations successives alternées a la paroi d’un tube. La modification de l’écoulement du fait des déformations permet de modifier ses propriétés en termes de transfert thermique et de mélange. L’objectif de l’étude d’un tel dispositif est entre autre de l’appliquer pour des configurations d’échangeurs multifonctionnels, qui sont à la fois échangeurs de chaleur et réacteurs chimiques. L’étude s’intéresse principalement aux écoulements laminaires. Les calculs sont réalisés avec le code ANSYS Fluent. L’étude est tout d’abord consacrée à la caractérisation de l’écoulement secondaire créé par les déformations ainsi qu’à l’influence des différents paramètres de déformation. Afin d’améliorer le mélange dans l’écoulement, l’étude d’une configuration coaxiale déformée a été envisagée (cette géométrie correspond de plus à une configuration d’écoulement utilisée dans l’industrie). Deux configurations annulaires ont été considérées. Dans un premier temps, les déformations pariétales ont été appliquées aux tubes interne et externe : différents déphasages longitudinaux et angulaires entre ces deux déformations ont été étudiés pour optimiser les performances thermo-hydrauliques. La seconde configuration combine des déformations sur la paroi externe et un swirl sur la paroi interne de la géométrie. Cette configuration particulière permet en régime laminaire d’augmenter significativement le mélange du fait de l’apparition d’advection chaotique dans l’écoulement. Cette dernière géométrie est appliquée dans le cas d’un échangeur solaire à concentration et permet d’améliorer les performances par rapport à un tube lisse dans des conditions similaires. La dernière partie de l’étude est consacrée à une validation expérimentale des résultats numériques lorsque les déformations sont appliquées à une plaque. Des mesures par PIV et LDA ont été réalisées pour mesurer la vitesse locale de l’écoulement
The work presented here is focused on the numerical study of specific successive wall deformations in alternate directions, applied to a tubular geometry. Those deformations help modifying the flow structure and thus its heat transfer and mixing properties. One of the main aims of the study is to apply those deformations to multifunctional exchangers which are heat exchangers and chemical reactors at the same time. The study is mainly focused on laminar flows and all the numerical calculations were performed using the CFD code ANSYS Fluent. The first step of the study is to assess the secondary flow created by the wall deformations. The influence of several deformation geometrical parameters has also been studied. In order to enhance the mixing in the deformed tube, the wall deformations have been applied to coaxial configurations (often used in the industry). Two kinds of annular configurations have been evaluated. At first, the wall deformations are applied to the external and internal walls of the coaxial tube. The effect on the heat transfer enhancement of the longitudinal and angular phase-shifting between the two deformations has been specifically assessed. The second configuration considered combines the alternate deformations on its external walls and a swirled internal wall. This particular annular configuration creates chaotic advection in laminar flows, therefore helping increasing the mixing. This geometry is used as a solar captor and helps increasing the global performances when compared with a smooth tube usually used. The last part of the presented work is focused on the experimental validation of the numerical results. Techniques such as PIV and LDA are used to measure local velocity fields in a plane duct with alternate deformations applied to its lower wall

Le présent travail vise à contribuer à une meilleure connaissance de la performance hydro-géochimique des sols dont les caractéristiques géotechniques sont proches de celles des sols habituellement utilisés pour la construction des barrières d'étanchéité minérales présentes dans les Centres de Stockage de Déchets (CSD), et ainsi à une meilleure conception et à un meilleur dimensionnement des dispositifs d'étanchéité sur la base de la détermination de la conductivité hydraulique, du coefficient de diffusion effective et de la capacité de rétention des sols. Nous présentons l'étude de la phénoménologie des interactions sol-eau-électrolyte, dans le but de contribuer à une meilleure compréhension du fonctionnement du système sol-lixiviat. Nous décrivons les principaux processus physiques, chimiques et biologiques de rétention des polluants inorganiques dans les sols et présentons pour quelques polluants inorganiques les mécanismes de rétention responsables de leur retardement dans les sols. Nous indiquons les principaux processus de transport des polluants à travers les barrières d'étanchéité minérales ainsi que la formulation mathématique correspondante. Les principes fondamentaux de la perméabilité et de la diffusion dans les sols ainsi que les méthodes de mesure en laboratoire de la conductivité hydraulique et du coefficient de diffusion effective sont présentés. Les caractéristiques des lixiviats produits dans les CSD de déchets ménagers et assimilés sont données ainsi qu'une base de données relative à la composition chimique de ces lixiviats. Ces données ont permis de sélectionner les espèces chimiques inorganiques et les concentrations chimiques représentatives de la composition chimique des lixiviats réels afin de préparer des lixiviats synthétiques : acide et neutre à légèrement alcalin. Nous décrivons la méthodologie qui a conduit au prélèvement de trente échantillons dans les principales formations argileuses portugaises et procédons à la caractérisation des sols. Les résultats obtenus dans les essais sont analysés ainsi que leur traitement statistique à travers des méthodes de corrélation linéaire et d'analyses multivariées, dans le but de sélectionner les échantillons représentatifs de l'échantillonnage global. Les essais de perméabilité en laboratoire ont été réalisés avec des équipements et dispositifs spécialement conçus pour la détermination de la conductivité hydraulique des éprouvettes et du temps de transfert d'espèces chimiques inorganiques à travers les sols par advection et pour l'étude des effets des lixiviats acide et neutre à légèrement alcalin sur l'intégrité des sols à long terme. Nous avons procédé, en plus de l'étude du transport d'espèces chimiques par advection, à l'étude du transport d'espèces chimiques à travers les sols par diffusion. Pour ce faire, des équipements et dispositifs spécifiques pour l'étude du transport des polluants par diffusion pure ont été conçus
This work is intended to contribute to understand better the hydro-geochemical performance of fine-grained soils with geotechnical properties similar to those of soils that are currently used in the construction of compacted clay liners existing in the landfills. Therefore, the work is expected to contribute to improve the design and dimensioning of confinement systems based on the determination of the hydraulic conductivity, the effective diffusion coefficient and the capacity of retention of fine-grained soils. We begin by studying of the phenomenology of soil-water-electrolyte interactions, with a view to contribute to understand better the operation of the soil-leachate system. Subsequently, we describe the main physical, chemical and biological processes of retention of inorganic pollutants in the soils, and we present for some inorganic pollutants the mechanisms of retention that are responsible for their retardation in the soils. In addition, we indicate the main processes of pollutant transport through compacted clay liners, as well as the corresponding mathematical formulation. W e also refer to the fundamental principles of permeability and diffusion in the soils as well as the methods used in laboratory for measuring the hydraulic conductivity and the effective diffusion coefficient. W e present the characteristics of leachates produced in municipal solid landfills, as well as a data base concerning the chemical composition of these leachates. These data were used as supporting basis to the selection of inorganic chemical species and of chemical concentrations representative of the chemical composition of real leachates, with a view to prepare both acid and neutral to moderately alkaline leachates. We present the methodology that has led to collecting thirty samples from the main Portuguese clayey formations and we characterise the soils. The results obtained in the tests are analysed and we perform their statistical processing using linear regression and multivariate analysis methods, in order to select representative samples of the overall sampling. W e carry out permeability tests in laboratory with equipment and apparatuses that were specifically designed for: i) determining the hydraulic conductivity of specimens; ii) determining the time of advective transport of inorganic chemical species through the sampling soils; iii) studying the effects of both ac id and neutral to moderately alkaline leachates on the long-term integrity of soils. We carry out, other than the study on the advective transport of chemical species, a study on the diffusive transport of inorganic chemical species through the sampling soils. For the purpose, we designed equipment and apparatuses that were specifically intended to study the transport of pollutants by pure diffusion

The goal of this research is to realize the advantages of declarative modeling for complex physical systems that involve both advection and diffusion to varying degrees in multiple domains. This occurs, for example, in chemical devices such as fuel cells. The declarative or equation-based modeling approach can provide computational advantages and is compatible with physics-based, object-oriented representations. However, there is no generally accepted method of representing coupled advection and diffusion in a declarative modeling framework. This work develops, justifies, and implements a new upstream discretization scheme for mixed advective and diffusive flows that is well-suited for declarative models. The discretization scheme yields a gradual transition from pure diffusion to pure advection without switching events or nonlinear systems of equations. Transport equations are established in a manner that ensures the conservation of material, momentum, and energy at each interface and in each control volume. The approach is multi-dimensional and resolved down to the species level, with conservation equations for each species in each phase. The framework is applicable to solids, liquids, gases, and charged particles. Interactions among species are described as exchange processes which are diffusive if the interaction is inert or advective if it involves chemical reactions or phase change. The equations are implemented in a highly modular and reconfigurable manner using the Modelica language. A wide range of examples are demonstrated—from basic models of electrical conduction and evaporation to a comprehensive model of a proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). Several versions of the PEMFC model are simulated under various conditions including polarization tests and a cyclical electrical load. The model is shown to describe processes such as electro-osmotic drag and liquid pore saturation. It can be scaled in complexity from 4000 to 32,000 equations, resulting in a simulation times from 0.2 to 19 s depending on the level of detail. The most complex example is a seven-layer cell with six segments along the length of the channel. The model library is thoroughly documented and made available as a free, open-source software package.

Un modèle semi-analytique permettant de simuler le transfert thermique conjugué dans un mini/macro canal plan soumis à des sources de chaleur surfaciques localisées sur les faces externes et variantes en fonction du temps, a été présenté et vérifié. Plus le diamètre hydraulique du canal est petit, plus la caractérisation expérimentale interne (mesure des températures et des flux) en régime thermique permanent ou transitoire à l'aide des capteurs internes est délicate. Une méthode non-intrusive permettant d'estimer les conditions internes à partir des mesures de température par thermographie infrarouge sur les faces externes et d'un modèle semi-analytique, a été effectuée. Comme le coefficient de transfert convectif forcé classique perd son sens en régime instationnaire, une approche alternative basée sur une fonction de transfert, valable pour un système linaire et invariant dans le temps a été mise en œuvre. Cette fonction peut être calculée analytiquement (uniquement pour une géométrie simple) ou estimée expérimentalement (géométrie complexe). Grâce au caractère intrinsèque de cette fonction de transfert, deux capteurs virtuels ont été conçus : capteur virtuel de température et détecteur d'encrassement permettent respectivement d'estimer les températures internes et de détecter l'encrassement qui peut avoir lieu dans l'échangeur à partir des mesures de températures sur les faces externes
A semi-analytical model allowing to simulate the transient conjugate heat transfer in mini/macro plane channel subject to a heat source(s) localized on the external face(s), was presented and verified. The developed model takes into account advection-diffusion in the fluid and conduction in the solid. As the hydraulic diameter of the channel becomes small, the internal experimental characterization (measurement of temperature and heat flux) using internal sensors become tricky because internal sensors located may compromise the structural integrity of the whole system. A non-intrusive method for estimating the internal conditions from infrared temperature measurements on the external faces using the semi-analytical model was performed. Since the classic convective heat transfer coefficient loses its meaning in transient state, an alternative approach based on a transfer function, valid for Linear Time-Invariant (LTI) systems, was highlighted. This function can be calculated analytically only for a simple geometry. For complex geometries it can be estimated experimentally. Thanks to intrinsic character of this function, two characterization methods were designed. The first to estimate the temperature at a point from a measurement at another point in the system (virtual temperature sensor). The second method concerns the detection of fouling layers that may appear in the heat exchanger from temperature measurements on the external faces

Le concept d’échangeur réacteur multifonctionnel (ERM) recouvre l’ensemble des systèmes efficaces pour réaliser une ou plusieurs opérations unitaires sur les fluides industriels. L'objectif de ce travail est de caractériser les performances de différentes configurations d’ERM en termes de mélange et de transfert de chaleur par des techniques numériques et expérimentales. Une démarche d'efficacité énergétique est adoptée pour évaluer la faisabilité de chaque configuration selon des critères de performance. Dans le régime laminaire, l'advection chaotique produite dans les réacteurs "Split-And-Recombine" (SAR) favorise le mélange par diffusion. Les caractéristiques de l'écoulement et les capacités de transfert de chaleur sont étudiées dans deux configurations SAR. Les propriétés de mélange dans ces configurations sont sensiblement supérieures aux autres géométries et une augmentation des transferts convectifs jusqu’à 20 fois supérieure est constatée. Dans le régime transitionnel ou inertiel, les géométries avec des surfaces modifiées et des inserts sont les plus efficaces. La qualité du mélange dans deux réacteurs ondulés et dans un tube muni d'inserts hélicoïdaux est évaluée. Ici nous avons montré que l’intensification relative du mélange par rapport au tube vide est supérieure à un facteur 100 dans ces configurations. Dans le régime turbulent, l'intensification des transferts convectifs par les générateurs de vortex trapézoïdaux est quantifiée dans le mélangeur statique et l'échangeur de chaleur ‘High-Efficiency Vortex’ (HEV) par des mesures thermiques expérimentales. L’amélioration maximale des transferts convectifs est de l’ordre de 12 fois par rapport au tube vide
The concept of multifunctional heat exchanger/reactor (MHE/R) includes all systems efficient for the realization of one or several unitary operations on industrial fluids with high productivity and reduced energy expenditures. The aim of the present work is to characterize the performance of different MHE/R configurations in terms of mixing and heat transfer using numerical and experimental techniques. An energy efficiency approach is adopted to evaluate the feasibility of each configuration based on common performance criteria. In the laminar regime, chaotic advection produced in the Split-And-Recombine (SAR) reactors promotes mixing by diffusion. Flow characteristics, heat transfer capacities, and mixing qualities are investigated in two SAR configurations. Superior mixing qualities are observed in these devices and convective heat transfer is enhanced up to 20 folds compared to classical geometries. In the transitional or inertial regime, modified surface geometries and tube inserts are most efficient in process intensification. Mixing enhancement in two corrugated channel reactors with different radii of curvature and a tube fitted with helical inserts is assessed by chemical probe. Mixing intensification relative to an empty tube reaches as high as 100 folds in the laminar regime. In the turbulent regime, convective heat transfer intensification produced by the trapezoidal vortex generator is quantified in the High-Efficiency Vortex (HEV) static mixer and heat exchanger by experimental thermal measurements. Convective heat transfer in this geometry attains values around 12 times higher than those recorded in a classical plain tube configuration

L'étude présentée a pour objectif de mieux comprendre l’influence de l’hydrodynamique sur le transfert de produits phytosanitaires lors d’écoulement dans les fossés agricoles. Quatre paramètres ont plus particulièrement été étudiés : i) la vitesse de l’écoulement de surface ; ii) la submergence, définie comme le rapport moyen entre la hauteur des formes du lit et la hauteur d’eau ; iii) la forme du lit et iv) le degré de saturation en eau du lit avant la contamination par les produits phytosanitaires. L’influence de ces paramètres a été étudiée en conditions semicontrôlées à travers la mise en oeuvre d’expérimentations en canal expérimental, au fond duquel a été fixé pour chaque expérimentation un substrat type constitué d’un assemblage de fibres de chanvre utilisé pour approcher de manière simplifiée un système naturel relativement complexe et hétérogène (en considération des nombreux substrats rencontrés dans le lit des fossés naturels : herbes, feuilles mortes, végétation en décomposition, paille, sédiments, …). Les fibres de chanvre ont été choisies après une étude préliminaire en laboratoire visant à comparer les possibilités d’adsorption et de désorption des produits phytosanitaires sélectionnés sur diverses fibres couramment utilisées dans l’industrie géotextile (jute, lin, chanvre, polyamide, polypropylène et polyester). Les expérimentations en canal expérimental ont été menées de manière à tester l’influence spécifique des paramètres étudiés. La comparaison des différentes expérimentations indique qu’une augmentation de la vitesse de l’écoulement de surface augmente la quantité de produits phytosanitaires transférés de l’écoulement de surface vers le lit, ainsi que la cinétique de ce transfert. Le constat est le même lorsqu’on augmente la submergence, ou bien lorsqu’on passe d’une géométrie de petites formes en « dunes » à une géométrie de grandes formes en « créneau ». Enfin, le fait que le lit soit saturé en eau en début d’expérimentation réduit fortement le transfert de la lame d’eau vers le lit. On observe également que l’influence de chaque paramètre semble être interdépendante. Devant le coût en temps et en argent de ces expérimentations, un modèle a été sélectionné dans la littérature, codé et utilisé pour conforter et compléter l’interprétation des données expérimentales
The aim of this work was to better understand the influence of hydrodynamics on the transfer of pesticides in water flows in agricultural ditches. Special attention was given to four parameters: i) the speed of the surface water flow, ii) the submergence, defined as the mean ratio between the height of the bedforms and the water depth, iii) the shape of the bedforms and iv) the water content of the bed substrate before contamination by pesticides. The influence of these various parameters was investigated with an experimental flume, using a standard of substrate made of hemp fibres. Hemp fibres were chosen as a simplified model of natural substrates such as grass, dead leaves, decaying vegetation, straw and sediments, which are rather complex and heterogeneous. Hemp fibres were selected from preliminary laboratory studies which allowed to compare the adsorption and desorption characteristics of various pesticides for different fibres often used in the geotextile industry (jute, linen, hemp, polyamide, polypropylene and polyester). The flume experiments were designed in order to assess the influence of the four parameters mentioned above. The comparison between the different experiments shows that an increase in surface water speed results in an increase in the amount of pesticides transferred from the water to the bed substrate and the transfer kinetics. A similar result is observed when increasing the submergence, or when going from small sinusoidal bedforms to larger rectangular bedforms. In addition, the data show that the transfer of pesticides from surface water to the bed substrate is strongly decreased when the substrate was saturated with water at the beginning of the experiments. Also, it appears that there is a link between the influence of the differents parameters. When considering the long time duration and the cost of the experiments, it was decided to use a model from the literature which was adapted and used to confirm and extend the interpretation of the experimental data

Cette étude est consacrée au problème inverse d’estimation de l’intensité et de la position d’une source de polluant. Nous inversons tout d’abord des mesures de concentration à l’intérieur d’une chambre à sable(extension des égouts souterrain) en utilisant la méthode d’identification modale pour estimer l’intensité d’émission du gaz H2S. Une approche originale est ensuite proposée pour estimer la position d’une source en utilisant la notion de transmittance entre deux capteurs. Des outils de régularisation sont utilisés afin d’estimer chaque transmittance, dont le produit de convolution avec la concentration d’un capteur choisi comme référence correspond à la réponse d’un capteur quelconque. Les transmittances estimées à partir des signaux de concentration simulés dans une configuration d’un écoulement tunnel avec source ponctuelle sont ensuite comparées à la sortie d’un modèle analytique 1D de l’équation de transport.L’utilisation d’un algorithme de minimisation non linéaire a permis d’estimer d’abord la vitesse et le coefficient de diffusion de l’écoulement et ensuite la position de la source, sous certaines hypothèses
This numerical study deals with the inverse problem of estimating the intensity and the positionof a pollutant source. The estimation of time-varying emission rates of pollutant sources of H2S in asewer chamber is first implemented through inversion of concentration measurements using the modal identification method. A specific method based on transmittance functions between sensors output isused to estimate the source position. Regularization tools are applied to estimate each transmittance,whose convolution product with the concentration of a reference sensor models the response of any sensor.Transmittances estimated from simulated concentration signals in a tunnel flow with a point source arethen compared to the output of 1D analytical model for the transport equation. A nonlinear minimizationalgorithm is used to estimate the velocity and the diffusion coefficient first and the source position next,under some assumption

La présente thèse porte sur la prédiction numérique de l’impact des transferts thermique et massique sur la qualité de l’air et sur le confort thermique à l’intérieur des cavités ventilées ou non et remplies de polluant. En effet, les cavités ventilées sont généralement considérées comme étant une approximation pour la modélisation des locaux ventilés.Pour mener à bien cette étude, nous avons choisi un modèle numérique basé sur la résolution des équations régissant les transferts de quantité de mouvement, de chaleur et de masse. La première partie du mémoire est consacrée à quelques généralités sur la ventilation, la qualité de l’air et le confort thermique ainsi qu’à la revue bibliographique des travaux réalisés. La démarche suivie est décrite dans le chapitre 2. Celle-ci est basée sur l’approximation de Boussinesq. Le modèle RNG k-ε est utilisé pour traiter la turbulence. La discrétisation des équations est réalisée à l’aide de la méthode des volumes finis associée à l’algorithme SIMPLEC pour traiter le couplage pression-vitesse. Dans la seconde partie, nous considérons d’abord la convection thermique et la convection thermosolutale dans des cavités fermées. Le principal but visé est: a) de valider le modèle considéré en confrontant nos résultats avec ceux de la littérature et b) d’étudier l’influence du nombre de Rayleigh thermique et du rapport de flottabilité. Les résultats obtenus révèlent que le modèle adopté prédit correctement les transferts thermique et massique.Ensuite, nous appliquons cette approche au cas des cavités bidimensionnelles ventilées soumises à des gradients de température et de concentration. Les indices de qualité de l’air et d’efficacité de la ventilation sont calculés et discutés. Nous achevons ce travail en analysant l’influence de la ventilation sur la qualité de l’air intérieur dans une pièce tridimensionnelle en régime transitoire. Cette analyse concerne différents scénarios de ventilation mécanique simple flux en vue de trouver la meilleure configuration en termes d’efficacité et de qualité de l’air intérieur
This thesis deals with the numerical prediction of heat and mass transfer impact on the air quality and thermal comfort within either ventilated or not cavities filled with pollutants. Indeed, ventilated areas are first modeled to be as ventilated cavities in a first approximation.To carry out this study, we adopt a numerical model based on solving equations governing momentum, heat and mass transfer. The first part of this thesis is dedicated to some generalities on ventilation, air quality and thermal comfort and the bibliographic review of previous works. The adopted approach is described in Chapter 2. It is based on the Boussinesq approximation. The RNG k-ε model is used to handle turbulence. The finite-volume method (FVM) is used to discretize of the set of equations, and the pressure-velocity coupling is achieved via the SIMPLEC algorithm. In the second part, we consider the thermal convection and thermosolutal convection in closed cavities. The main aim is a) to validate the considered model by comparing our results with those of literature, and b) to investigate influence of the thermal Rayleigh number and the buoyancy ratio. Our findings indicate that the model accurately predicts heat and mass transfer.Then, we apply this approach to the case of two-dimensional ventilated cavities subjected to temperature and concentration gradients. The indices of air quality and ventilation efficiency are calculated and discussed. We end this work by analyzing the influence of ventilation on the quality of indoor air in a three-dimensional room in transient regime. This investigation covers different scenarios from the simple flow mechanical ventilation which aims to find the best configuration in terms of efficiency and quality of indoor air

Les travaux présentés dans ce manuscrit abordent la thématique du couplage des transferts thermiques. En particulier, ils s’inscrivent dans une réflexion actuelle autour de l’échantillonnage de chemins aléatoires par la méthode de Monte Carlo. Ce choix est justifié par un souhait d’obtenir des algorithmes ne présentant pas de contraintes sur la complexité des géométries étudiées. En effet, l’utilisation conjointe de ce type d’approches statistiques et des outils d’accélération de la synthèse d’image (grilles accélératrices) permet d’ores et déjà une résolution exacte du transfert radiatif en géométrie quelconque. Pour les transferts thermiques de type diffusif, l’exactitude des approches en espaces de chemins n’est atteignable que pour des configurations simples. On choisit donc d’utiliser des chemins statistiques approchés pour rendre compte de ce type de phénomènes thermiques dans des géométries quelconques. Parmi les choix disponibles, on retiendra des espaces de chemins construits autour du lancer de rayon, qui permettront donc de bénéficier de l’ensemble des avantages des outils développés par la communauté de l’informatique graphique. Une preuve de concept de l’insensibilité du temps de calcul au nombre de pores de la résolution thermique d’un échangeur poreux par l’utilisation de marches aléatoires conducto-convecto-radiatives sera ainsi présentée. Au-delà de ce résultat, une analyse du comportement de la méthode sur des échangeurs à canaux permettra de classifier des situations d’insensibilité, ou pas, à la complexité des milieux poreux étudiés. La capacité à expliquer les limites de cette insensibilité et le comportement de ce temps de calcul fera alors émerger un concept d’épaisseur thermique homologue à la problématique de l’épaisseur optique en transfert radiatif
The present manuscript deals with the coupling of thermal heat transfers. More precisely, it adresses this coupling by making use of the Monte Carlo method and the sampling of random paths. This choice was made in the perspective of building algorithms that do not present constraints regarding the complexity of the studied geometry. Indeed, the combined use of this kind of statistical approaches, and acceleration tools coming from the image synthesis community, already allowed for an exact resolution of radiative transfer in arbitrary geometries. Regarding diffusive heat transfers, exact results using random paths are only achievable in academic configurations. Thus, approximate random paths are commonly used to account for this kind of thermal transport. Among the possible choices, we will use random paths built on ray tracing, therefore allowing to benefit once again from all the advantages of the tools developed in computer graphics. A proof of concept of the insensitivity of the computation time of the resolution of thermal transfers in porous exchangers to the number of pores by making use of conducto-convecto-radiative random paths will be presented. Beyond this result, an analysis of the behaviour of this method in ducts heat exchangers will allow to clarify when this kind of insensitivity can indeed be observed. This analysis will induce the concept of thermal thickness, by analogy with optical thickness for radiative transfer

Le but de notre travail est d'etudier deux procedes de melange des fluides. Le premier consiste a generer des trajectoires chaotiques dans un ecoulement de dean alterne en regime laminaire. Il est applicable au traitement des fluides visqueux ou fragiles. Une analyse qualitative du melange a ete faite numeriquement. On montre une nette amelioration de la qualite apparente du melange par rapport a un ecoulement de dean non alterne. Un dispositif experimental mis au point permet d'analyser l'effet des trajectoires chaotiques sur les transferts thermiques en comparant un echangeur helicoidal et un echangeur en configuration de dean alterne. Ce dernier presente un chauffage plus homogene. De plus, l'homogeneite du chauffage ne semble pas dependre du nombre de reynolds. On constate egalement une amelioration de l'efficacite de l'echangeur qui atteint 28% au plus faible nombre de reynolds (60). On termine par une mesure du degre chaotique des trajectoires. Du fait que le systeme etudie soit conservatif, nous avons ete amenes a adapter le calcul de quelques criteres issus de la theorie ergodique du chaos. Le second procede de melange consiste a generer un ecoulement turbulent dans un melangeur en ligne. Nous le testons afin de l'utiliser en tant que reacteur. Une campagne de visualisations des structures generees dans l'ecoulement a montre leur role dans le mecanisme de transfert. Les champs de la vitesse moyenne et du taux de turbulence ont ete mesures par velocimetrie laser. A partir des fonctions d'autocorrelaton temporelle de la vitesse, nous avons pu deduire la macro-echelle des fluctuations et le taux de dissipation de la turbulence. Les donnees experimentales ont ete completees par une modelisation de l'ecoulement. Une comparaison des resultats numeriques et experimentaux met en evidence les limites du modele k- standard. Un modele de turbulence issu de la theorie rng se montre plus approprie.

Depuis le milieu des années 90, la minéralisation in situ du CO2 est envisagée comme une solution durable et efficace pour limiter ses émissions anthropiques vers l'atmosphère. Il s'agit de récupérer le CO2 émis par certaines industries pour le piéger en profondeur sous forme minérale (carbonates) dans les aquifères mafiques et ultramafiques naturels (de type basaltes et péridotites). La carbonatation du CO2 a été largement décrite dans les systèmes naturels où elle apparait à travers une série de réactions chimiques couplées au transport des espèces réactives dans le fluide. Plusieurs expériences en réacteurs fermés ont été menées depuis une quinzaine d'années afin de mieux comprendre les paramètres physico-chimiques contrôlant ces réactions. Mais très peu d'études n'ont encore caractérisé les processus de transport-réactif au cours de l'injection et de la minéralisation in situ du CO2 dans ces roches.Ces travaux visent à répondre à 3 principaux objectifs : (i) caractériser l'évolution des chemins réactifs lors de l'injection de CO2 dans des roches (ultra-)mafiques, (ii) mesurer les effets en retour des réactions sur les propriétés hydrodynamiques du milieu et (iii) quantifier le rendement et la pérennité des processus sur le long terme. Ils s'appuient sur le développement de protocoles expérimentaux pour (i) reproduire l'injection de CO2 dans les roches (ultra-)mafiques et (ii) caractériser les réactions à l'aide d'une série d'outils géochimiques et analytiques de l'échelle atomique à centimétrique. Trois séries d'expériences de percolation réactive ont été réalisé sur des agrégats (ultra-)mafiques relativement simples (olivines de San Carlos et d'Hawaii) et plus complexes (basaltes de Stapafell) dans des conditions de P-T-confinement in situ (Ptot=10-25 MPa ; T=180-185°C;Pconf=15-28 MPa).Les résultats obtenus ont permis de différencier plusieurs chemins réactifs dans ces systèmes en fonction du transport du fluide, de la porosité du milieu, des hétérogénéités locales de la roche, de la minéralogie et/ou des variations locales de la composition chimique du fluide. Les calculs du bilan de masse ont révélé une minéralisation efficace du CO2 contrôlée par les propriétés chimiques et hydrodynamiques du milieu. Mais certaines réactions associées à l'altération des roches (ultra-)mafiques (hydratation) ont des effets en retour négatifs sur les propriétés réservoirs de la roche (porosité, perméabilité) pouvant compromettre la pérennité du stockage du CO2 dans les aquifères naturels sur le long terme.Ces nouvelles données permettront aux modèles numériques de mieux simuler la carbonatation des roches (ultra-)mafiques en connaissant les propriétés hydrodynamiques du milieu et les hétérogénéités structurales du réservoir. Elles suggèrent aussi qu'un meilleur contrôle de certains paramètres d'injection, comme le débit ou la composition du fluide injecté (ex: pCO2), permettrait d'améliorer le taux et le rendement de la carbonatation
Since the mid-90s, in situ mineralization of CO2 has been considered as a safe and efficient solution to mitigate its anthropogenic emissions to the atmosphere. It is to recover the CO2 emitted by some industries and trap it in the mineral form (carbonates) in mafic and ultramafic aquifers (e.g. basalts and peridotites). The carbonation of CO2 has been widely described in natural systems where it occurs through a series of complex chemical reactions coupled to the transport of reactive species in the fluid. Numerous experiments have been conducted in batch reactors over the past fifteen years to better understand the physico-chemical parameters controlling the carbonation of (ultra-)mafic rocks. But few studies have further characterized the coupling reactive-transport processes during the injection and in situ mineralization of CO2 in these rocks.This work aims to meet 3 main objectives: (i) characterize changes in reaction paths during the injection of CO2 in (ultra-)mafic systems, (ii) measure the feedbacks effects of chemical reactions on the hydrodynamic rock properties and (iii) quantify the efficiency and sustainability of such processes over long time periods. It is based on the development of experimental protocols to (i) reproduce the injection of CO2 into (ultra-)mafic rocks and (ii) characterize the reactions using a series of geochemical and analytical tools from the atomic to the centimetric scale. Three series of reactive percolation experiments have been performed on (ultra-)mafic aggregates from relatively simple (olivines from San Carlos and Hawaii) to more complex samples (basalts from Stapafell) under in situ P-T-containment conditions (Ptot=10-25 MPa; T=180-185°C; Pcont=15-28 MPa).The results allowed us to differentiate several reactions paths in these systems depending on the fluid transport, rock porosity, local hydrodynamic properties, mineralogy and/or local changes in the fluid composition. Mass balance calculations have revealed an efficient mineralization of CO2 in the samples. It is controlled by the chemical and the hydrodynamic properties of the rock at the pore scale. But some reactions associated with the alteration of (ultra-)mafic rocks (e.g. hydration) have negative feedbacks effects on the reservoir rock properties (porosity and permeability) that may compromise the sustainability of CO2 storage in natural aquifers in the long term.These new supporting data will allow numerical models to better simulate the carbonation of (ultra-)mafic rocks knowing the hydrodynamic properties and the structural heterogeneities of the reservoir. They also suggest that a better control of some injection parameters, such as the flow injection rate and the injected fluid composition (e.g. pCO2), would improve the rate and yield of CO2 mineralization in these systems

Pour mieux appréhender les mécanismes de transfert des gaz (CO2 et CH4) dissous dans l’eau porale des formations des marnes du site de Bure et des argiles à Opalinus (AOP) du Mt Terri dans leur état initial, un capteur infrarouge (IRTF) et un banc optique Raman innovant ont été développés et installés en laboratoire souterrain. Ces capteurs sont intégrés au dispositif de l’expérimentation « d’équilibration de gaz » développée par l’Andra (PAC) qui vise à suivre l’évolution d’une phase gazeuse initialement neutre au contact de la formation et de son eau porale grâce à un forage effectué et maintenu dans des conditions anaérobiques. Ces capteurs permettent un suivi quantitatif in situ et en ligne des gaz libérés par la formation à basse pression totale (<1,3 bar). Les modèles quantitatifs développés pour la mesure infrarouge ont une erreur relative moyenne de 1,66 % pour la pCO2 (mbar.m) et de 1,37 % pour la pCH4 (mbar.m). L’instrumentation IR d’un forage sur le site du Mt Terri et de deux forages sur le site de Bure (faciès C2b1 et C2d) a permis d’obtenir les courbes de transfert des deux gaz. Les courbes de transfert du CH4 ont été modélisées par un modèle de diffusion-advection qui ont permis l’évaluation de la concentration locale en CH4 dissous dans l’eau porale : elles sont comprises entre 3,06 et 14,23 mg.L-1 pour les AOP, et entre 0,36 et 1,28 mg.L-1 pour le faciès C2d et entre 0,56 et 1,55 mg.L-1 pour le faciès C2b1 des argilites de Bure. On montre que les équilibres eau/gaz/roche gouvernent la pCO2 après forage alors que la diffusion/advection explique son évolution sur le long terme. Une origine intraformationnelle des alcanes dissous est envisagée
An infrared sensor (IRTF) and an innovative Raman optical bench were implemented and developed in underground laboratories to improve our knowledge about migration mechanisms of dissolved gases (CO2 and CH4). This study is focussed on the characterisation of the initial state of the porewater of Callovo-Oxfordian marl (Bure) and Opalinus Clay (Mt Terri Middle Jurassic). These sensors are integrated into experimental devices of gas-equilibration test developed by Andra (PAC) to follow the gaseous phase behaviour in contact with the rock formation through a borehole drilled and maintained in anaerobic conditions, and initially filled with pure argon. These in situ sensors allow, on line quantitative analysis of gases released by the rock formation at low bulk pressure (<1.3 bar). Quantitative models were developed to transform peak intensities in partial pressures of gas. They give mean absolute relative errors about 1.66 % for pCO2 (mbar.m) and 1.37 % for pCH4 (mbar.m). Three years of IR monitoring of one borehole on the site of Mt Terri and two boreholes on the site of Bure (facies C2b1 and C2d) have been led. CH4 transfer curves were modelled by diffusion-advection. CH4 concentration in porewater from non-perturbed rock formation is estimated from all the experiments: concentrations between 3.06 and 14.23 mg.L-1 was obtained for Opalinus Clay, between 0.36 and 1.28 mg.L-1 for C2d facies and between 0.56 and 1.55 mg.L-1 for C2b1 facies in Callovo-Oxfordian marls of Bure. Gas/rock/water balance governs pCO2 after drilling, whereas diffusion/advection laws explain CO2 long-term profiles. An intra-formational origin of the organic gases can be proposed

Ce mémoire aborde la question de la production d’observables intrinsèques au comportement thermomécanique des matériaux pour mieux en formuler les lois d’états. Ces observables sont les sources de chaleur thermomécaniques, activées par sollicitation mécanique. Ces sources peuvent être reconstruites dans l’espace et le temps par inversion de mesures de champs de température obtenus par thermographie IR. Nous présentons essentiellement deux méthodes développées lors de ce travail de thèse qui reposent sur des approches spectrales réduites (dont la décomposition sur Modes de Branche) et des inversions séquentielles (méthode de Beck) ou itératives (Gradient Conjugué). Concernant cette dernière, nous proposons d’y adjoindre une régularisation efficace en s’inspirant de techniques de filtrage par TSVD. S’agissant de matériaux sujets aux instabilités plastiques (PolyEthylène Haute Densité) pour lesquels les vitesses locales peuvent être non négligeables, l’inversion des mesures en température nécessite que l’on considère un opérateur d’advection-diffusion, qui impose alors l’apport d’une connaissance supplémentaire : le champ de vitesses locales. Celui-ci est mesuré par corrélation d’images 3D et nous détaillons le travail expérimental mené ainsi que les résultats obtenus sur des essais de traction pilotés par vidéo-extensométrie. Nous montrons que pour des essais quasi-statiques à vitesses relativement élevées, les effets d’advection sont généralement négligeables. Nous montrons également en quoi la richesse des informations thermomécaniques (Sources) et cinématiques (Taux de déformation, vitesses) permet de mieux comprendre la dynamique de l’instabilité plastique. Enfin nous critiquons les résultats obtenus sur la reconstruction de source par confrontation des deux algorithmes développés et par une analyse physique des phénomènes observés
This work concerns the way intrinsic observables can be produced, which are related to the thermomechanical behavior of materials and necessary for better formulation of state laws. These observables are Thermomechanical Heat Sources (THS) which are activated through mechanical excitation. These sources can be reconstructed both in space and time by the inversion of measured temperature fields obtained through IR thermography. We develop two main methods in this work which rely on spectral reduced approaches (one of them being the decomposition on Branch Modes) and both on a sequential inversion (Beck’s method) and an iterative one (Conjugated Gradient). Regarding the latter, we suggest to combine the standard approach with an efficient regularization method which comes from the filtering techniques based on TSVD. As we are concerned with materials which can be subjected to plastic instabilities (High Density PolyEthylene) for which local velocities of matter displacement can be non negligible, the inversion of the measurements must be performed with the advection-diffusion operator of heat transfer. It is then necessary to obtained additional knowledge: the velocity field. This one is measured by 3D Digital Image Correlation and we detail the experimental work we have carried out, which are based on tensile tests monitored with video-extensometry. We show that for quasi-static tests at relatively high strain rates, the advective effects are generally negligible. We also show the richness of the information brought by this dual thermomechanical (heat sources) and kinematical (strain-rates, velocities) information. It allows for a better understanding of the plastic instability (necking) dynamics. Lastly, we criticize the obtained results on THS reconstruction by the confrontation between the two algorithms and by a physical analysis of the observed phenomena

Les terres agricoles ont été durablement contaminées à la fois par les pesticides mis à la disposition des agriculteurs pour lutter contre les charançons et autres insectes nuisibles, et par les engrais azotées pour augmenter la productivité chez les plantes.Des recherches récentes concernent des cultures alternatives écologiques utilisant les plantes de service qui fournissent les nutriments aux plantes principales. Ce travail de thèse s'inscrit dans cette perspective, d'un point de vue modélisation.L'accent est mis sur la résolution de problèmes de contrôle du phénomène d'absorption de nutriments, par les racines dans la rhizosphère (partie proche des racines), en considérant les deux cas de sols : sol sain et sol pollué.Ces phénomènes d'absorption sont modélisés par des systèmes d'advection-diffusion de type Nye-Tinker-Barber (NTB). La concentration de nutriments absorbée, solution du problème, est une fonction du temps et de l'espace.On étudie l'existence de solution du système NTB dans les deux cas où la fonction d'absorption de nutriments à la frontière (surface de la racine) appelée fonction de Michealis-Menten, est linéaire et/ou non linéaire, à l’aide des outils d’analyse fonctionnelle. On étudie ensuite les problèmes de contrôle optimal associés au système NTB, en considérant les deux cas linéaire et non linéaire, en application pour les deux cas d’absorption de nutriments en sol non pollué puis en sol pollué. Pour le premier cas, on utilise les techniques classiques de recherche d'un contrôle pour les systèmes distribués, tandis que, pour le second cas, on fait appel aux notions de contrôle sans regret et contrôle à moindres regrets de J.-L. Lions. Les contrôles obtenus pour les différents problèmes sont caractérisés chacun par un système d'optimalité (SO) cas sans pollution, et système d’optimalité singulier (SOS) dans le cas avec pollution.=
Agriculture soils were highly contaminated for a long time by pesticides which were widely used by producers to fight against weevils. Soils where also contaminated by the use of fertilizers to increase the plant development. An ecological alternative using service plants is encouraged following recent research. The aim of this work is to give a mathematical and a modelling point of view as we study the mecha- nisms of nutrient transfer to plants using the mathematical analysis and optimal control theories. The two cases of polluted and non-polluted soils are considered. The nutrient transfer and uptake processes are modeled by an advection-diffusion system derived from the Nye-Tinker-Barber (NTB) model. The absorbed nutrient concentration represented by the Michaelis-Mention function at the root surface of the principal plant, depends on time and space. We study the existence of a solution for the linear and nonlinear NTB systems, then we characterize the opti- mal control which corresponds to the added nutrients from the service plant. For the pollution case, we use the concept of low-regret and no-regret control of J.-L. Lions

Cette thèse répond au besoin de mieux maîtriser la durabilité des structures en béton armé exposées aux embruns d.eau de mer ou aux projections de sels de déverglaçage, en proposant une modélisation de la pénétration des ions chlorure dans les matériaux cimentaires lors des cycles de séchage- imbibition. Ce modèle tient compte de la cristallisation des sels, de la fixation des ions chlorure par les constituants solides de la pâte de ciment et plus généralement des interactions physico- chimiques entre les ions et la matrice cimentaire. Ces dernières sont basées sur l'équilibre chimique de la solution interstitielle avec les aluminates tricalciques (C3A), la portlandite (Ca(OH)2), et les sels de Friedel (3CaO.Al2O3.CaCl2.10H2O) et l'adsorption des ions chlorure sur les feuillets de C-S- H par substitution des l'ion hydroxyle. Cette description physico-chimique des interactions a permis de mettre en évidence que les isothermes de fixation des ions chlorure, mesurés expérimentalement, sont l'addition d'une partie dépendant seulement des teneurs initiales en composants solides issues de l'hydratation du ciment et d'une partie dépendant seulement de la nature intrinsèque des C-S-H produits. La pertinence de cette description est démontrée en comparant les résultats du modèle avec ceux de nombreux d'essais effectués sur plusieurs matériaux en conditions saturées issus de la littérature. L'extension de ce modèle d'interaction aux conditions non saturées n'introduit aucune donnée supplémentaire. Le reste du travail l'a démontré à travers la modélisation et la simulation de nombreux essais de séchage, d'imbibition ou de cycles d'imbibition-séchage sur des matériaux de construction ou cimentaires de caractéristiques différentes. Cette dernière partie a permis de mettre en évidence plusieurs phénomènes importants à prendre en compte tels que l'effet de la force ionique de la solution sur les courbes capillaires du matériau ou le colmatage des pores dû à la cristallisation du chlorure de sodium. Enfin le modèle a servi à expliquer les mécanismes physiques à l'origine de certains phénomènes observés lors du séchage et de l'imbibition de matériaux poreux en présence de sels.

This thesis focuses on solute transport upscaling. Upscaling of solute transport is usually required to obtain computationally efficient numerical models in many field applications such as, remediation of aquifers, environmental risk to groundwater resources or the design of underground repositories of nuclear waste. The non-Fickian behavior observed in the field, and manifested by peaked concentration profiles with pronounced tailing, has questioned the use of the classical advection-dispersion equation to simulate solute transport at field scale using numerical models with discretizations that cannot capture the field heterogeneity. In this context, we have investigated the use of the advection-dispersion equation with mass transfer as a tool for upscaling solute transport in a general numerical modeling framework. Solute transport by groundwater is very much affected by the presence of high and low water velocity zones, where the contaminant can be channelized or stagnant. These contrasting water velocity zones disappear in the upscaled model as soon as the scale of discretization is larger that the size of these zones. We propose, for the modeling solute transport at large scales, a phenomenological model based on the concept of memory functions, which are used to represent the unresolved processes taking place within each homogenized block in the numerical models. We propose a new method to estimate equivalent blocks, for which transport and mass transfer parameters have to be provided. The new upscaling technique consists in replacing each heterogeneous block by a homogeneous one in which the parameters associated to a memory functions are used to represent the unresolved mass exchange between highly mobile and less mobile zones occurring within the block. Flow upscaling is based on the Simple Laplacian with skin, whereas transport upscaling is based in the estimation of macrodispersion and mass transfer parameters as a result of the interpretation of the r
Llerar Meza, G. (2009). Upscaling nonreactive solute transport [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/5848
Palancia

Liquid film flow is an important flow type in many applications of process engineering. For supporting experiments, theoretical and numerical investigations are required. The present state of the art is to model the liquid film flow with Navier--Stokes-based methods, whereas the lattice Boltzmann method is employed here. The final model has been developed within this treatise by means of a two-phase flow and a heat transfer model, and boundary and initial conditions. All these sub-models have been applied to simple test cases. It could be found that the two-phase model is capable of solving flow phenomena with a large density ratio which has been shown impressively in conjunction with wall boundary conditions. The heat transfer model was tested against spectral method results with a transient non-uniform flow field. It was possible to find optimal parameters for computation. The final model has been applied to steady-state film flow, and showed very good agreement to OpenFOAM simulations. Tests with transient film flow demonstrated that the model is also able to predict these flow phenomena
Flüssigkeitsfilmströmungen kommen in vielen verfahrenstechnischen Prozessen zum Einsatz. Zur Unterstützung von Experimenten sind theoretische und numerische Untersuchungen nötig. Stand der Technik ist es, Navier--Stokes-basierte Modelle zu verwenden, wohingegen hier die Lattice-Boltzmann-Methode verwendet wird. Das finale Modell wurde unter Verwendung eines Zweiphasen- und eines Wärmeübertragungsmodell entwickelt und geeignete Rand- und Anfangsbedingungen formuliert. Alle Untermodelle wurden anhand einfacher Testfälle überprüft. Es konnte herausgefunden werden, dass das Zweiphasenmodell Strömungen großer Dichteunterschiede rechnen kann, was eindrucksvoll im Zusammenhang mit Wandrandbedingungen gezeigt wurde. Das Wärmeübertragungsmodell wurde gegen eine Spektrallösung anhand eines transienten und nichtuniformen Strömungsproblemes getestet. Stationäre Filmströmungen zeigten sehr gute Übereinstimmungen mit OpenFOAM-Lösungen und instationäre Berechungen bewiesen, dass das Model auch solche Strömungen abbilden kann

L’étude présentée a pour objectif de mieux comprendre l’influence de l’hydrodynamique sur le transfert de produits phytosanitaires lors d’écoulement dans les fossés agricoles. Quatre paramètres ont plus particulièrement été étudiés : i) la vitesse de l’écoulement de surface ; ii) la submergence, définie comme le rapport moyen entre la hauteur des formes du lit et la hauteur d’eau ; iii) la forme du lit et iv) le degré de saturation en eau du lit avant la contamination par les produits phytosanitaires. L’influence de ces paramètres a été étudiée en conditions semicontrôlées à travers la mise en oeuvre d’expérimentations en canal expérimental, au fond duquel a été fixé pour chaque expérimentation un substrat type constitué d’un assemblage de fibres de chanvre utilisé pour approcher de manière simplifiée un système naturel relativement complexe et hétérogène (en considération des nombreux substrats rencontrés dans le lit des fossés naturels : herbes, feuilles mortes, végétation en décomposition, paille, sédiments, …). Les fibres de chanvre ont été choisies après une étude préliminaire en laboratoire visant à comparer les possibilités d’adsorption et de désorption des produits phytosanitaires sélectionnés sur diverses fibres couramment utilisées dans l’industrie géotextile (jute, lin, chanvre, polyamide, polypropylène et polyester). Les expérimentations en canal expérimental ont été menées de manière à tester l’influence spécifique des paramètres étudiés. La comparaison des différentes expérimentations indique qu’une augmentation de la vitesse de l’écoulement de surface augmente la quantité de produits phytosanitaires transférés de l’écoulement de surface vers le lit, ainsi que la cinétique de ce transfert. Le constat est le même lorsqu’on augmente la submergence, ou bien lorsqu’on passe d’une géométrie de petites formes en « dunes » à une géométrie de grandes formes en « créneau ». Enfin, le fait que le lit soit saturé en eau en début d’expérimentation réduit fortement le transfert de la lame d’eau vers le lit. On observe également que l’influence de chaque paramètre semble être interdépendante. Devant le coût en temps et en argent de ces expérimentations, un modèle a été sélectionné dans la littérature, codé et utilisé pour conforter et compléter l’interprétation des données expérimentales
The aim of this work was to better understand the influence of hydrodynamics on the transfer of pesticides in water flows in agricultural ditches. Special attention was given to four parameters: i) the speed of the surface water flow, ii) the submergence, defined as the mean ratio between the height of the bedforms and the water depth, iii) the shape of the bedforms and iv) the water content of the bed substrate before contamination by pesticides. The influence of these various parameters was investigated with an experimental flume, using a standard of substrate made of hemp fibres. Hemp fibres were chosen as a simplified model of natural substrates such as grass, dead leaves, decaying vegetation, straw and sediments, which are rather complex and heterogeneous. Hemp fibres were selected from preliminary laboratory studies which allowed to compare the adsorption and desorption characteristics of various pesticides for different fibres often used in the geotextile industry (jute, linen, hemp, polyamide, polypropylene and polyester). The flume experiments were designed in order to assess the influence of the four parameters mentioned above. The comparison between the different experiments shows that an increase in surface water speed results in an increase in the amount of pesticides transferred from the water to the bed substrate and the transfer kinetics. A similar result is observed when increasing the submergence, or when going from small sinusoidal bedforms to larger rectangular bedforms. In addition, the data show that the transfer of pesticides from surface water to the bed substrate is strongly decreased when the substrate was saturated with water at the beginning of the experiments. Also, it appears that there is a link between the influence of the differents parameters. When considering the long time duration and the cost of the experiments, it was decided to use a model from the literature which was adapted and used to confirm and extend the interpretation of the experimental data

Lo Ka Fai
Thesis (M.Phil.)--Chinese University of Hong Kong, 1999.
Includes bibliographical references (leaves [67]-68).
Text in English; abstracts in English and Chinese.
Lo Ka Fai
Abstract --- p.ii
Acknowledgements --- p.iii
List of Figures --- p.v
List of Tables --- p.ix
Chapter 1 --- Introduction --- p.1
Chapter 2 --- The First Problem: Heat Transfer and Large-scale Flow --- p.7
Chapter 2.1 --- Circulating flow --- p.8
Chapter 2.2 --- Shear flow --- p.10
Chapter 3 --- Results and Discussions --- p.13
Chapter 3.1 --- Circulating flow --- p.13
Chapter 3.2 --- Shear flow --- p.17
Chapter 4 --- The second problem: Intermittency --- p.22
Chapter 5 --- Method of Analysis --- p.25
Chapter 6 --- Results and discussions --- p.29
Chapter 6.1 --- C=0.01 --- p.29
Chapter 6.2 --- "C=0.05, 0.1 and 0.5" --- p.41
Chapter 7 --- Conclusions --- p.60
Chapter A --- Linear Scaling Exponents --- p.62
Chapter B --- The Formula of and the Hierarchy --- p.64
Bibliography --- p.66

We study heat transfer in one dimension with and without convection, also called advection-diffusion. This is done using the Finite Element Method (FEM) to discretise the mathematical model, i.e. the heat equation. The results are compared to analytic Fourier series solutions. Our main result is that the FEM could be used to better model the heat transfer which allow for more accurate models than today's use of steady state models.