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Lorsque des structures flexibles sont placées dans un écoulement, elles dissipent une partie de l'énergie cinétique du fluide. Quantifier cette dissipation présente des intérêts pour un grand nombre d'application allant de l'étude de l'écoulement à surface libre sur une canopée de végétaux, l'amélioration des dispositifs de passe à poissons par ajout d'obstacles flexibles à la protection des berges par végétalisation. Basé sur des mesures effectuée à l'Institut Pprime, l'objectif de cette étude est de proposer des modèles empiriques qui caractérisent la perte de charge en connectant, la flexibilité du matériau par le nombre de Cauchy, la densité des tiges, le nombre de rangées, les caractéristiques intrinsèques de la canopée et la nature des écoulements.

The filtration of air by fibrous media with high efficiency particulate air (HEPA) is a key point for the safety of sensitive installations. However, filters have a major drawback linked to the increase in their aeraulic resistance during their clogging, which can lead to unbalance the ventilation networks, or even in extreme cases to the rupture of filters and therefore to a loss of containment. In case of fire the filters may be subjected to a large supply of particles or to very clogging particles, causing a rapid increase in their pressure drop. In current pressure drop models used for risk assessment, porosity is a key parameter. Many authors, via simulations, have proposed porosity values for deposits of nanoparticles formed by filtration and have shown, for a given aerosol, a dependence of the porosity as a function of the Peclet number (ratio of the transport mechanisms by convection and diffusion. A specific experimental methodology has been developed in order to study the influence of the porosity of the deposits of the size and morphology of the particles, the physico-chemical characteristics of the particles and the carrier gas (nature, density, viscosity) and operating conditions (filtration rate, pressure). For this study, an experimental bench and a laser measurement device have been developed. This device measures the change in the thickness of the deposit coupled with its deposited mass over time in order to determine the porosity of the deposit. Studies on the deposits of spherical nanoparticles and formed by aggregates have made it possible to define the Stokes number (ratio between the kinetic energy of the particle and the energy dissipated by friction with the fluid) as the most relevant parameter to account for the evolution of the porosity of the deposit. This study led to various correlations allowing the estimation of the porosity of a deposit of pseudo-spherical nanoparticles or nanostructured particles.; La filtration de l’air par des médias fibreux à très haute efficacité (THE) constitue un élément important pour la sécurité des installations sensibles. Pourtant, les filtres présentent un inconvénient majeur lié à l’augmentation de leur résistance aéraulique au cours de leur colmatage ce qui peut conduire in fine au déséquilibrage du réseau de ventilation, voire dans des cas extrêmes à la rupture du filtre et par conséquent à une perte de confinement. Dans certaines situations accidentelles, telles qu’un incendie, les filtres peuvent être soumis à un apport important de particules ou à des particules très colmatantes, occasionnant une élévation rapide de leur perte de charge. Dans les modèles de perte de charge existants utilisés pour l’évaluation des risques, la porosité est une donnée d’entrée clef. De nombreux auteurs, via des simulations, ont proposé des valeurs de porosité pour des dépôts de nanoparticules formés par filtration et ont montré, pour un aérosol donné, une dépendance de la porosité en fonction du nombre de Péclet (rapport des mécanismes de transport par convection et diffusion). Une méthodologie expérimentale spécifique a été développé afin d’étudier notamment l’influence, sur la porosité des dépôts, de la taille et la morphologie des particules, des caractéristiques physico-chimiques des particules et du gaz vecteur (nature, masse volumique, viscosité) et des conditions opératoires (vitesse de filtration, pression). Pour cette étude, un banc expérimental ainsi qu’un dispositif de mesure laser spécifiques ont été développés. Ce dernier mesure l’évolution de l’épaisseur du dépôt couplée à sa masse déposée au cours du temps afin de déterminer sa porosité. Les études sur les dépôts de nanoparticules sphériques et formées par des agrégats ont permis de définir le nombre de Stokes (rapport entre l’énergie cinétique de la particule et l’énergie dissipée par frottement avec le fluide) comme le paramètre le plus pertinent pour rendre compte de l’évolution de la porosité du dépôt. Cette étude a débouché sur différentes corrélations permettant l’estimation de la porosité d’un dépôt de nanoparticules pseudo-sphériques ou de particules nanostructurées.

Dans les réseaux de ventilation, l'utilisation de pré-filtres métalliques est envisagée pour protéger les filtres THE d'un éventuel rejet d'aérosol liquide qui pourrait affecter les performances du système de filtration. Cette étude porte sur l'influence des caractéristiques du média (épaisseur, compacité et diamètre moyen des fibres métalliques) et de la vitesse de filtration sur l'évolution de la perte de charge de médias métalliques au cours de la filtration d'un aérosol liquide. Ce travail a mis en évidence que ces paramètres influent non seulement sur la perte de charge à saturation mais également sur la quantité de liquide accumulée dans le filtre., In ventilation systems, the use of metallic pre-filters is being considered to protect the HEPA filters from the possible release of liquid aerosol that could affect the performance of the filtration system. This study focuses on the influence of media characteristics (thickness, compactness and average diameter of the metal fibers) and filtration velocity on the evolution of the pressure drop of metallic media during the filtration of a liquid aerosol. This work has shown that these parameters influence not only the saturation pressure drop but also the amount of liquid accumulated in the filter.

L’acquisition de la perte de charge monophasique en utilisant un manomètre à tube à travers un mélangeur statique de type Kenics dans une conduite horizontale a été faite pour un Reynolds appartenant à l’intervalle [8116-18938]. L’approche considérant le mélangeur statique comme un milieu poreux structuré est appliquée sur le Kenics. Les paramètres intrinsèques du Kenics ont été calculés, et l’accord entre les pertes de charges théoriques et expérimentales confirme que l’approche est applicable sur le Kenics. Le taux de l’énergie dissipée et les constantes de temps caractéristiques du mélange ont été estimés en utilisant les pertes de charges recueillies. Des corrélations ont été proposées pour la perte de charge et le taux de l’énergie dissipée. Les constantes de temps caractéristiques ont été étudiées et le processus du mesomixing par dispersion turbulente a été identifié comme le processus gouvernant l’opération de mélangeage le long de tout l’intervalle de Reynolds.

International audience; A model was developed to predict the evolution of the pressure drop and the collection efficiency of non-woven filters clogged during the filtration of nanostructured particles (i.e. agglomerates of nanometric particles). It takes into account the filter characteristics (thickness, packing density, Davie' diameter and mean fibre diameter), but also the particle-size distribution and the operating conditions (filtration velocity, gas viscosity…). This model needs only one adjustable parameter linked to mean fibre diameter. In comparison with experimental data, the model allows predicting quite satisfactorily the performance (pressure drop and efficiency) of several mono or dual layer fibrous filters during particle loading.; Un modèle visant à prédire l'évolution de la perte de charge et de l'efficacité des filtres non tissés au cours de la filtration de particules nanostructurées (agglomérats de particules nanométriques) est présenté. Il prend en compte les caractéristiques du filtre (épaisseur, compacité, diamètre de Davies et diamètre moyen des fibres), la distribution granulométrique et les conditions opératoires (vitesse de filtration, viscosité du gaz ...). Un seul paramètre d'ajustement lié au diamètre des fibres est nécessaire. Une confrontation avec les données expérimentales montre que le modèle permet d'estimer de manière très satisfaisante les évolutions des performances (perte de charge et efficacité) au cours du colmatage de plusieurs filtres fibreux associés en série ou non

International audience; A model was developed to predict the evolution of the pressure drop and the collection efficiency of non-woven filters clogged during the filtration of nanostructured particles (i.e. agglomerates of nanometric particles). It takes into account the filter characteristics (thickness, packing density, Davie' diameter and mean fibre diameter), but also the particle-size distribution and the operating conditions (filtration velocity, gas viscosity…). This model needs only one adjustable parameter linked to mean fibre diameter. In comparison with experimental data, the model allows predicting quite satisfactorily the performance (pressure drop and efficiency) of several mono or dual layer fibrous filters during particle loading.; Un modèle visant à prédire l'évolution de la perte de charge et de l'efficacité des filtres non tissés au cours de la filtration de particules nanostructurées (agglomérats de particules nanométriques) est présenté. Il prend en compte les caractéristiques du filtre (épaisseur, compacité, diamètre de Davies et diamètre moyen des fibres), la distribution granulométrique et les conditions opératoires (vitesse de filtration, viscosité du gaz ...). Un seul paramètre d'ajustement lié au diamètre des fibres est nécessaire. Une confrontation avec les données expérimentales montre que le modèle permet d'estimer de manière très satisfaisante les évolutions des performances (perte de charge et efficacité) au cours du colmatage de plusieurs filtres fibreux associés en série ou non

In order to enable the establishment of a CO2 recovery chain sector from the steel industry, this study aims to propose a new filtration device for the dust removal of blast furnace fumes that would be placed after the current treatment chain to improve their purification. The originality of the chosen technology, a trickle bed, permits to maintain a constant pressure drop by re-entraining continuously the particles trapped on collectors thanks to a water film flow to overcome the clogging problem. A hydrodynamic study and efficiency measurements lead with particles (in a range of diameters between 0.5 and 10 μm) showed that the pressure drop and the initial efficiency increase with the decrease of the collector diameter, which is in agreement with the results of the literature for dry granular beds. The presence of water increases the initial collection efficiency at the expense of a higher pressure drop. These observations are related to the decrease of the bed porosity in presence of a water flow. A good compromise between pressure drop and efficiency was found for an air flow rate of 20 m3.h-1, a liquid flow rate of 12 L.min-1 and using a 50 cm bed composed of glass beads of 5 mm diameter. Long-term clogging tests showed that the efficiency of the bed remains globally constant over time at a value close to the initial one. The pressure drop, although higher at the beginning of the experiment than that of a dry granular bed, stabilizes rapidly at a much lower value than that measured for a dry granular bed for the same mass of particles collected. The experiments have been carried out over 30 h under disadvantageous conditions, and we can expect that under real operating conditions the pressure drop will be stable over much longer times. Thus, the presence of water plays its part by limiting the clogging evolution of the granular bed by the re-entrainment of particles collected by the bed. This study was completed by the development of a model to determine the pressure drop and initial efficiency of a trickle bed, which resulted in an example of pre-sizing of a process on an industrial scale.; Afin de permettre la mise en place d’une filière de valorisation du CO2 issu de l’industrie sidérurgique, cette étude a pour but de proposer un nouveau procédé de dépoussiérage des fumées de hauts fourneaux qui serait placé à la suite des filières actuelles de traitement pour améliorer leur épuration. L’originalité de la technologie retenue, un lit granulaire arrosé, permet de maintenir la perte de charge constante en facilitant le réentraînement en continu des particules collectées à l’aide d’un écoulement de liquide (formant un film à la surface des collecteurs) pour ainsi pallier le problème de colmatage. Une étude hydrodynamique et des mesures d’efficacité vis-à-vis de particules de diamètre compris entre 0,5 et 10 µm ont montré que la perte de charge et l’efficacité initiale augmentaient avec la diminution du diamètre des collecteurs, ce qui est en accord avec les résultats de la littérature pour des lits granulaires secs. La présence d’un filet d’eau augmente l’efficacité initiale de collecte au détriment toutefois d’une perte de charge plus élevée. Ces observations sont liées à la diminution de la porosité du lit lorsque ce dernier est arrosé par un débit d’eau. Un bon compromis entre perte de charge et efficacité a été trouvé avec un lit composé de 50 cm de billes de 5 mm de diamètre et un débit d’eau de 12 L.min-1 pour un débit de gaz à traiter de 20 m3.h-1. Des essais de colmatage longue durée ont mis en évidence que l’efficacité du lit reste globalement constante au cours du temps, à une valeur proche de la valeur initiale. La perte de charge, bien que supérieure en début d’expérience à celle d’un lit granulaire sec, se stabilise rapidement à une valeur bien plus faible que celle mesurée pour un lit sec pour une même masse de particules collectées. Les expériences ayant été menées sur 30 h dans des conditions défavorables, nous pouvons nous attendre à ce que dans des conditions réelles de fonctionnement la perte de charge soit stable sur des temps beaucoup plus longs. Ainsi la présence de l’eau remplit bien le rôle prévu en limitant l’évolution du colmatage du lit granulaire par le réentrainement des particules collectées par le lit. Cette étude s’est achevée par le développement d’un modèle permettant de déterminer la perte de charge et l’efficacité initiale d’un lit granulaire arrosé, ce qui a abouti sur un exemple de pré-dimensionnement à échelle industrielle.

High Efficiency Particulate Air (HEPA) pleated filters are used to ensure the containment of airborne contamination within nuclear facilities. These filters are often the last barrier before a potential release of radioactive substances into the environment. Predicting their performances (pressure drop and efficiency) is a main thrust of research for IRSN which aims at avoiding any unexpected failure of those devices on French nuclear facilities. The clogging phenomenon is mainly influenced, on one side, by the flow conditions imposed in the ventilation network and, on the other side, by the media characteristics and the particles properties which are collected by the filter. Consequently, the work carried out has been divided into two parts. In the first part, we focused on the study of the airflow behavior within a HEPA pleated filter with an experimental and numerical approach. An experimental bench has been developed to measure the airflow field at the entrance channel of a HEPA filter pleat. Then, the experimental measurements have been used to validate GeoDict® and ANSYS CFX® simulations. The combination of the experimental and the numerical results have been used to develop a model to predict the evolution of the initial HEPA filter pressure drop. The work performed in the second part deals with the clogging of the filter. An experimental bench, dedicated to the characterization of the parameters that intervene in the clogging models such as the porosity, the pressure drop and the particles size, has been developed. Then, numerical simulations conducted with GeoDict® have been realized to describe the cake formation on the surface of a HEPA pleated filter. Finally, we developed a model to predict the evolution of HEPA pressure drop during clogging with micronic particles, Les filtres plissés à très haute efficacité (THE) jouent un rôle essentiel dans le maintien du confinement des installations industrielles à risques, les réacteurs nucléaires par exemple. Ces filtres permettent le piégeage des aérosols, qui sont la principale source de contamination externe. Dans ce cadre, l’IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) conduit des études pour caractériser les performances des filtres THE. L’objectif de la présente thèse a été de développer un modèle prédictif décrivant l’évolution de la résistance aéraulique du filtre au cours de son colmatage. Le colmatage d’un filtre plissé THE est piloté, d’une part par les conditions aérauliques imposées dans les réseaux de ventilation, d’autre part par la nature du média et les propriétés des particules collectées par le filtre. Ainsi, les travaux réalisés ont été répartis sur deux volets. La première partie a été dédiée à l’étude de l’aéraulique du filtre suivant une approche double expérimentale et numérique. Un banc expérimental permettant de mesurer les champs de vitesse dans un pli de filtre plissé THE a été développé. Les mesures réalisées ont servi à la validation des codes de calcul utilisés (ANSYS CFX® et GeoDict®) et au développement d’un modèle de perte de charge initiale des filtres plissés vierges. Une validation du modèle à l’échelle de filtres complets avec des géométries différentes a ensuite été effectuée. La deuxième partie a porté sur l’étude du colmatage des filtres plissés THE suivant une approche expérimentale et numérique. Un banc expérimental a été développé pour la détermination des paramètres entrant en jeu dans les modèles de colmatage (porosité, taille de particules …), puis des simulations numériques à l’aide du logiciel GeoDict ont été réalisées pour caractériser la croissance du dépôt sur la média. La combinaison des résultats expérimentaux et numériques a conduit au développement d’un modèle décrivant l’évolution de la résistance aéraulique du filtre THE au cours de son colmatage avec des particules microniques

High Efficiency Particulate Air (HEPA) pleated filters are used to ensure the containment of airborne contamination within nuclear facilities. These filters are often the last barrier before a potential release of radioactive substances into the environment. Predicting their performances (pressure drop and efficiency) is a main thrust of research for IRSN which aims at avoiding any unexpected failure of those devices on French nuclear facilities. The clogging phenomenon is mainly influenced, on one side, by the flow conditions imposed in the ventilation network and, on the other side, by the media characteristics and the particles properties which are collected by the filter. Consequently, the work carried out has been divided into two parts. In the first part, we focused on the study of the airflow behavior within a HEPA pleated filter with an experimental and numerical approach. An experimental bench has been developed to measure the airflow field at the entrance channel of a HEPA filter pleat. Then, the experimental measurements have been used to validate GeoDict® and ANSYS CFX® simulations. The combination of the experimental and the numerical results have been used to develop a model to predict the evolution of the initial HEPA filter pressure drop. The work performed in the second part deals with the clogging of the filter. An experimental bench, dedicated to the characterization of the parameters that intervene in the clogging models such as the porosity, the pressure drop and the particles size, has been developed. Then, numerical simulations conducted with GeoDict® have been realized to describe the cake formation on the surface of a HEPA pleated filter. Finally, we developed a model to predict the evolution of HEPA pressure drop during clogging with micronic particles; Les filtres plissés à très haute efficacité (THE) jouent un rôle essentiel dans le maintien du confinement des installations industrielles à risques, les réacteurs nucléaires par exemple. Ces filtres permettent le piégeage des aérosols, qui sont la principale source de contamination externe. Dans ce cadre, l’IRSN (Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire) conduit des études pour caractériser les performances des filtres THE. L’objectif de la présente thèse a été de développer un modèle prédictif décrivant l’évolution de la résistance aéraulique du filtre au cours de son colmatage. Le colmatage d’un filtre plissé THE est piloté, d’une part par les conditions aérauliques imposées dans les réseaux de ventilation, d’autre part par la nature du média et les propriétés des particules collectées par le filtre. Ainsi, les travaux réalisés ont été répartis sur deux volets. La première partie a été dédiée à l’étude de l’aéraulique du filtre suivant une approche double expérimentale et numérique. Un banc expérimental permettant de mesurer les champs de vitesse dans un pli de filtre plissé THE a été développé. Les mesures réalisées ont servi à la validation des codes de calcul utilisés (ANSYS CFX® et GeoDict®) et au développement d’un modèle de perte de charge initiale des filtres plissés vierges. Une validation du modèle à l’échelle de filtres complets avec des géométries différentes a ensuite été effectuée. La deuxième partie a porté sur l’étude du colmatage des filtres plissés THE suivant une approche expérimentale et numérique. Un banc expérimental a été développé pour la détermination des paramètres entrant en jeu dans les modèles de colmatage (porosité, taille de particules …), puis des simulations numériques à l’aide du logiciel GeoDict ont été réalisées pour caractériser la croissance du dépôt sur la média. La combinaison des résultats expérimentaux et numériques a conduit au développement d’un modèle décrivant l’évolution de la résistance aéraulique du filtre THE au cours de son colmatage avec des particules microniques

Au cours du colmatage, la structure du dépôt formé au sein des filtres conditionne l'évolution de la perte de charge. Dans le présent travail, des simulations numériques de colmatage des filtres plissés THE par des particules poly-dispersées ont été réalisées en utilisant le code de calcul GeoDict. Dans le dépôt ainsi simulé on observe la formation de dendrites le long du pli ce qui engendre une obstruction prématurée de ce dernier et augmente donc la perte de charge du filtre. Une comparaison avec des résultats expérimentaux a été réalisée. Un modèle de perte de charge a été développé en prenant en compte la perte de surface de filtration déduite des simulations numériques réalisées., During clogging, the structure of the cake build-up on the filter surface determines the evolution of its pressure drop. In the present work, numerical simulation of HEPA filters clogging with poly-dispersed particles, have been carried out with GeoDict software at the pleat scale. In the simulated cake an apparition of dendrites all along the pleat cake has been observed inducing an important increase of pressure drop. A pressure drop model have been developed taking into account the loss of filtration surface derived from simulation. A comparison between the numerical results and an experimental data has been realized.

In order to enable the establishment of a CO2 recovery chain sector from the steel industry, this study aims to propose a new filtration device for the dust removal of blast furnace fumes that would be placed after the current treatment chain to improve their purification. The originality of the chosen technology, a trickle bed, permits to maintain a constant pressure drop by re-entraining continuously the particles trapped on collectors thanks to a water film flow to overcome the clogging problem. A hydrodynamic study and efficiency measurements lead with particles (in a range of diameters between 0.5 and 10 μm) showed that the pressure drop and the initial efficiency increase with the decrease of the collector diameter, which is in agreement with the results of the literature for dry granular beds. The presence of water increases the initial collection efficiency at the expense of a higher pressure drop. These observations are related to the decrease of the bed porosity in presence of a water flow. A good compromise between pressure drop and efficiency was found for an air flow rate of 20 m3.h-1, a liquid flow rate of 12 L.min-1 and using a 50 cm bed composed of glass beads of 5 mm diameter. Long-term clogging tests showed that the efficiency of the bed remains globally constant over time at a value close to the initial one. The pressure drop, although higher at the beginning of the experiment than that of a dry granular bed, stabilizes rapidly at a much lower value than that measured for a dry granular bed for the same mass of particles collected. The experiments have been carried out over 30 h under disadvantageous conditions, and we can expect that under real operating conditions the pressure drop will be stable over much longer times. Thus, the presence of water plays its part by limiting the clogging evolution of the granular bed by the re-entrainment of particles collected by the bed. This study was completed by the development of a model to determine the pressure drop and initial efficiency of a trickle bed, which resulted in an example of pre-sizing of a process on an industrial scale., Afin de permettre la mise en place d’une filière de valorisation du CO2 issu de l’industrie sidérurgique, cette étude a pour but de proposer un nouveau procédé de dépoussiérage des fumées de hauts fourneaux qui serait placé à la suite des filières actuelles de traitement pour améliorer leur épuration. L’originalité de la technologie retenue, un lit granulaire arrosé, permet de maintenir la perte de charge constante en facilitant le réentraînement en continu des particules collectées à l’aide d’un écoulement de liquide (formant un film à la surface des collecteurs) pour ainsi pallier le problème de colmatage. Une étude hydrodynamique et des mesures d’efficacité vis-à-vis de particules de diamètre compris entre 0,5 et 10 µm ont montré que la perte de charge et l’efficacité initiale augmentaient avec la diminution du diamètre des collecteurs, ce qui est en accord avec les résultats de la littérature pour des lits granulaires secs. La présence d’un filet d’eau augmente l’efficacité initiale de collecte au détriment toutefois d’une perte de charge plus élevée. Ces observations sont liées à la diminution de la porosité du lit lorsque ce dernier est arrosé par un débit d’eau. Un bon compromis entre perte de charge et efficacité a été trouvé avec un lit composé de 50 cm de billes de 5 mm de diamètre et un débit d’eau de 12 L.min-1 pour un débit de gaz à traiter de 20 m3.h-1. Des essais de colmatage longue durée ont mis en évidence que l’efficacité du lit reste globalement constante au cours du temps, à une valeur proche de la valeur initiale. La perte de charge, bien que supérieure en début d’expérience à celle d’un lit granulaire sec, se stabilise rapidement à une valeur bien plus faible que celle mesurée pour un lit sec pour une même masse de particules collectées. Les expériences ayant été menées sur 30 h dans des conditions défavorables, nous pouvons nous attendre à ce que dans des conditions réelles de fonctionnement la perte de charge soit stable sur des temps beaucoup plus longs. Ainsi la présence de l’eau remplit bien le rôle prévu en limitant l’évolution du colmatage du lit granulaire par le réentrainement des particules collectées par le lit. Cette étude s’est achevée par le développement d’un modèle permettant de déterminer la perte de charge et l’efficacité initiale d’un lit granulaire arrosé, ce qui a abouti sur un exemple de pré-dimensionnement à échelle industrielle.

ABSTRACT: Hydraulic transmissivity is the most important design parameter of geocomposites used for in-plane drainage applications. This paper presents an in-depth investigation of the hydraulic behaviour of drain-tube planar geocomposites (DTPGs) and characterises the locations and causes of head losses based on a multiscale experimental approach using three different apparatus. In particular, a transmissivity rig that accommodates specimens up to 1 m2 was developed to define the minimum representative surface area required to characterise DTPGs. The experimental data acquired in this study support a theoretical relationship linking head losses that occur within DPTGs to flow rate. This relationship is used to analyse the results obtained with other transmissivity rigs and to identify the key locations where head losses develop. In addition, evidence that Colebrook's equation can be applied to corrugated tubes is presented. Based on this study, it is concluded that the measured DTPG transmissivity is significantly affected by specimen length and by the experimental device used to make the measurement. For example, the DTPG transmissivity measured in accordance with ASTM D4716-08 was found to be 14% lower than the actual DTPG transmissivity.

The air of workplaces and the environment can be contaminated by ultrafine particles (UFP) coming mainly from a non-intentional generation emitted by some industrial processes. The toxicity of these particles being more and more admitted nowadays, the polluted air of the workplaces has to be extracted and filtered in order to protect the workers and the public, respectively. The commonly used filters are pleated fiber filters which are rapidly and sometimes irreversibly clogged by the UFP. In order to find an alternative to these pleated filters, it was decided to study the granular beds. To do so, the clogging kinetic of granular bed by UFP was studied. This was achieved by conducting both macroscopic and microscopic studies of the granular bed clogging consisting in the monitoring of the evolution of the performances and in performing visualizations of UFP deposit structures. Evaluate the ability of granular beds to be an alternative to fiber filters can require the knowledge of the granular bed performances evolution for a large number of configurations. In order to avoid the realization of the corresponding experiments, a theoretical model was developed. Then, this model permitted by a multi-criteria optimization method to find the optimal configuration of an improved granular bed. Finally, some preliminary and very promising tests of a cylindrical granular bed filter permitting to increase the surface filtration and the collection efficiency laid the groundwork of a potential use of granular beds for the industrial UFP filtration, Les particules ultrafines (PUF) sont de nos jours susceptibles de se retrouver massivement dans l’air des lieux de travail et dans l’environnement, notamment de par leur génération non-intentionnelle par certains procédés industriels. Du fait de la toxicité de plus en plus avérée de ces particules, l’air contaminé doit être extrait des lieux de travail et filtré avant d’être rejeté dans l’atmosphère. Les filtres classiquement utilisés sont des filtres à fibres plissés présentant l’inconvénient vis-à-vis des PUF d’être rapidement et irréversiblement colmatés. Afin de trouver une alternative à ces filtres, il a été décidé d’étudier les lits granulaires. Pour ce faire, la cinétique de colmatage des lits granulaires par des PUF a dans un premier temps été étudiée à l’échelle macroscopique et microscopique par suivi des évolutions des performances ainsi qu’en procédant à des observations de structure de dépôt. Evaluer la capacité des lits granulaires à se positionner en tant qu’alternative aux médias fibreux peut nécessiter la connaissance des performances des lits granulaires dans un grand nombre de configurations. Pour s’affranchir des expériences correspondantes, un modèle théorique de prédictions des performances des lits granulaires en cours de colmatage a été développé. Ce modèle a par la suite permis par une optimisation multicritère de trouver la configuration optimale d’un lit granulaire amélioré. Enfin, des essais préliminaires très prometteurs d’une manche granulaire permettant d’augmenter la surface de filtration et l’efficacité de collecte ont posé les bases d’une potentielle utilisation des lits granulaires pour la filtration de PUF dans l’industrie

International audience; Caractérisation des empilements de particules catalytiques de formes atypiques.

International audience; Comparaison des resultats de prediction de perte de charge a l'arret de pompes rotodyamiques, d'une part par une methode correlative et d'autre part par l'utilisation d'un modele unidimensionnel de pompe actuellement en developpement dans CATHARE 3.

International audience; This paper deals with new stochastic modeling of very low tunneling currents in Non-Volatile Memories. For this purpose, we first develop current measurement method based on Floating Gate technique. In order to reach the long time behavior of electrical dynamic, we aim at using very basic tools (power supply, multimeter...) but still having a very good current resolution. Also, our measurement is led in a very particular low-noise environment (underground laboratory) allowing to keep the electrical contacts on the device under test as long as possible. After showing the feasibility of such measurements, we present a modeling approach of the charge loss process inside the Non-volatile Memories by using mathematical tool involving long memory effect. The model is based on stochastic counting process with memory effect yielding to a fractional relaxation equation for the charge loss over time. The main interest of the present model lies in the fact that the corresponding inversion problem involves only two parameters that can be carried out efficiently.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; On modélise ici la perte de charge linéique de l'écoulement à surface libre, laminaire et stationnaire d'un fluide à seuil viscoplastique qui suit la rhéologie d'Herschel-Bulkley. Une équation implicite est dérivée des équations de Navier-Stokes non newtoniennes adimensionnées par la gravité et le débit. La perte de charge est inversement proportionnelle au nombre de Reynolds basé sur le débit. Elle dépend de manière plus complexe du nombre de Bingham et de l'épaisseur de la couche adimensionnée. Une paramétrisation du glissement sur le fond est introduite à l'aide d'une longueur de glissement adimensionnée. Une analyse de sensibilité à ces paramètres adimensionnels est effectuée autour de valeurs représentatives d'un Carbopol 940dilué à une concentration de 11 %.

La présente étude porte sur la réduction des phosphates d'une eau synthétique à faible turbidité par filtration directe sur lit de sable. L'effet de plusieurs paramètres (vitesse de filtration, dose de sulfate d'aluminium et intensité d'agitation) sur la performance du procédé a été étudié. Des efficacités de rétention de phosphore supérieures à 80 % ont été obtenues pour des vitesses de filtration de 5 et 10 m/h. La filtration en ligne est applicable à 5 m/h mais devient beaucoup moins efficace à 10 m/h. Le rapport massique Al/P=2 est optimal et indépendant de la vitesse de filtration ainsi que de l'intensité d'agitation dans le floculateur., Phosphates and nitrates are the main nutrients responsible for disturbing aquatic ecosystem balance. In general, high levels of phosphate and nitrogen cause increases in algal proliferation, which has negative effects on water quality - the phenomenon is known as eutrophication. While nitrogen is in great quantities in the atmosphere, the sources of phosphorus are limited to two main sources: domestic waste waters and chemical fertilizers. Phosphorus is often known as the limiting factor for the growth of the algae in the aquatic areas.The usual biological processes (activated sludge) are not very efficient in the removal of phosphorus from waste water (efficiency of less than 50%). Alternative biological processes require certain conditions that are difficult to create in practice. For that reason, we thought it useful to explore another alternative, based on a combination of the precipitation-flocculation of phosphorus by metallic cations brought by alum (aluminium sulfate) and direct filtration through a sand bed.The aim of this work was to study the effect of filtration velocity, mass ratio (Al/P), and velocity gradient (G) on phosphorus removal efficiency in the flocculator. To this effect, a pilot-scale unit was set up. It consisted of one glass column (2 m long, with an inner diameter of 30 mm) that was filled with sand (0.85 m). The volumetric mass of sand and the porosity of the bed were 2.62 g/cm3 and 0.44 respectively.The synthetic water used was obtained by dissolution of potassium dihydrogen-phosphate in tap water. The characteristics of this water were as follows: turbidity (varied from 0.5 to 1 NTU); pH 7-8 ; electric conductivity of 450 -550 µS/cm; temperature fixed at 25 °C; a phosphorus concentration 2 mg/L. The pH of coagulation was adjusted to 6.5 and the flocculation time was 10 min. The filtration cycle was arbitrarily fixed at 9 h. The first sample was taken 15 min after the start of the experiment and subsequent sampling was carried out every hour. Once the filtration phase was terminated, the filter was back-washed (combined air-water). The efficiency of phosphorus removal by direct filtration was determined by measurements of residual phosphorus, final turbidity and total head loss in the bed. The results obtained show that : - Phosphorus removal efficiency is strongly related to the filtration velocity. - A mass ratio Al/P=2 seems optimal for the two velocities tested (5 and 10 m/h). For the ratio Al/P=3, we can see an increase in head loss and an increased turbidity in the filtered water, without any improvement in phosphorus retention. The increased turbidity is caused by the formation of fine particles of aluminium hydroxide and/or aluminium orthophosphate. - When the filtration velocity is 5 m/h, the mixing intensity (G) in the flocculator does not increase the removal efficiency of phosphorus. The efficiencies at G=0 (in line filtration) and G=50 s-1 are similar and development of head loss is essentially the same in both cases. Mixing in the flocculator becomes necessary when the filtration velocity is 10 m/h. In line filtration is much less efficient. - Intense mixing (G>100 s-1) had no beneficial effect on phosphorus removal, but rather led to a decrease in filtration time.

In the past decade, air quality has emerged as a major public environmental and health issue. Almost all fine particles in the air are man-made or manufactured and there are many questions regarding the impact of ultrafine (, La qualité de l’air est devenue un enjeu environnemental et de santé publique majeur. Les particules présentes dans l’air peuvent être d’origine anthropique ou manufacturées et de nombreuses questions se posent encore quant à l’impact sur la santé des plus fines d’entre elles (< 100 nm). Ainsi, dans l’industrie, des systèmes de protection collectifs doivent être mis en oeuvre pour protéger aussi bien les travailleurs que l’environnement. Des filtres à fibres sont généralement disposés dans les circuits de ventilation générale pour capter ces particules en suspension dans l’air. Les performances de ces media fibreux en termes d’efficacité de collecte et consommation énergétique sont relativement bien documentées lors de leur fonctionnement dans des conditions standards (humidité et température ambiantes). Cependant, peu d’études s’intéressent à l’interaction de l’humidité de l’air avec un dépôt composé de particules nanostructurées collectées par ces media filtrants et son incidence sur l’évolution de la perte de charge.Le travail de thèse a donc consisté dans un premier temps à la mesure d’isothermes de sorption de quatre poudres nanostructurées. Un modèle semi-prédictif d’adsorption-condensation basé sur le modèle GAB et la loi de Kelvin a ensuite été proposé. La seconde partie de l’étude a permis de décrire expérimentalement la variation de perte de charge et d’épaisseur d’un milieu poreux, formé par ces mêmes particules nanostructurées, pour différentes valeurs d’humidités. Grâce à la variation d’épaisseur du milieu déterminée par trigonométrie laser et au modèle d’adsorption-condensation, la porosité pour chaque valeur d’humidité relative a pu être calculée. En incorporant les valeurs de porosité et d’épaisseur dans trois modèles de perte de charge, il a été possible de représenter de façon satisfaisante les résultats expérimentaux. Enfin, une analyse rhéologique des poudres est proposée pour quantifier leur augmentation de cohésion sous humidité.

On modélise ici la perte de charge linéique de l’écoulement à surface libre, laminaire et stationnaire d’un fluide à seuil viscoplastique qui suit la rhéologie d’Herschel-Bulkley. Une équation implicite est dérivée des équations de Navier-Stokes non newtoniennes adimensionnées par la gravité et le débit. La perte de charge est inversement proportionnelle au nombre de Reynolds basé sur le débit. Elle dépend de manière plus complexe du nombre de Bingham et de l’épaisseur de la couche adimensionnée. Une paramétrisation du glissement sur le fond est introduite à l’aide d’une longueur de glissement adimensionnée. Une analyse de sensibilité à ces paramètres adimensionnels est effectuée autour de valeurs représentatives d’un Carbopol 940 dilué à une concentration de 11%.

Because of current environmental issues, some technologies are being developed to reduce the fuel consumption and to reduce the emissions of CO2. Energy recovery by means of Organic Rankine Cycles or Hirn Cycles recovery is one investigated track to answer these issues. At present, some systems based on Organic Rankine Cycle (ORC) are available in industry but advanced studies are needed to allow their application in the road transport industry. A better understanding of the two-phase fluid behaviour is necessary to optimize the design models of the components containing a two-phase refrigerant. For the Organic Rankine Cycle system, the thermodynamic conditions are different to standards relevant to refrigeration or air-conditioning systems. Indeed, the key characteristic of the ORC system is the evaporation saturation temperature. Exhaust gases temperature ranges from 400°C to 900°C and the refrigerant evaporation occurs at temperatures higher than 100°C. Almost all the flow boiling heat transfer models or correlations have been obtained for saturation temperatures ranging from -20°C to 40°C which correspond to standards relevant to refrigeration or air conditioning systems. The empirical models for boiling in such conditions are limited by the experimental data on which they are based, whereas analytical and theoretical approaches are needed to advanced knowledge on the behaviour of thermohydraulic two-phase refrigerant. This PhD thesis aims at studying the flow boiling characteristics of R-245fa in a 3.00 inner diameter channel in the thermodynamic conditions of the ORC system. Therefore, the saturation temperature ranged from 60°C to 120°C. To achieve this goal, an experimental test facility was designed and built to conduct refrigerant evaporation experiments. This test facility allowed to perform flow regime visualizations, pressure drop and heat transfer measurements in minichannel. First, an image processing method for two phase flow pattern characterization was developed. Based on this method and with the help of an adequate analysis of the heat transfer coefficient, the main flow regimes have been identified. The influence of saturation temperature on the flow patterns and their transitions has been highlighted. The second objective was to provide new experimental data concerning flow boiling heat transfer in minichannel. Flow boiling heat transfer coefficients at such high temperature have, so to say, almost never been reported in the open literature so far. The influence of saturation temperature on the heat transfer mechanisms has been discussed. In order to evaluate the capability of the current flow boiling prediction methods to predict the heat transfer coefficient, the comparison between experimental results and theoretical results predicted with the commonly used correlations and models were made. Lastly, pressure drop databases are presented. Experimental values of pressure drops were compared against several methods., La valorisation de l'énergie thermique contenue dans des gaz chauds pour produire de l'électricité est possible grâce à l'utilisation de cycles thermodynamiques, parmi lesquels le cycle de Rankine mérite d'être considéré. Cependant, l'industrialisation d'un tel système passe par une connaissance approfondie du comportement thermohydraulique du fluide actif. Ceci permettra d'améliorer le design des principaux composants du système, spécialement les échangeurs de chaleur. Dans le cas du cycle organique de Rankine, les conditions thermodynamiques du fluide sont éloignées des conditions usuelles rencontrées dans les domaines de la climatisation ou de la réfrigération. En effet, le fluide est mis en œuvre dans des conditions proches de son point critique. La température des gaz d'échappement varie entre 400°C et 900°C et l'évaporation se produit à une température de saturation supérieure à 100°C. En ce qui concerne les caractéristiques des écoulements diphasiques (chute de pression, coefficient de transferts thermiques, régimes d'écoulement), la quasi-totalité des méthodes de prédiction a été développée pour des températures comprises entre -20°C et 40°C correspondantes aux domaines de la climatisation ou de la réfrigération. C'est pourquoi la fiabilité de ces modèles reste incertaine dans les conditions d'évaporation du cycle de Rankine, car leur utilisation est limitée par la base de données à partir de laquelle ils ont été établis et ne peuvent être extrapolés avec précision. Cette thèse vise à étudier les caractéristiques thermohydrauliques du R-245fa en ébullition convective dans les conditions du cycle de Rankine. Dans un premier temps, un banc expérimental a été conçu et construit afin de réaliser des tests en ébullition convective dans un minicanal de 3.00 mm de diamètre. Ce banc expérimental permet de faire des mesures sur les régimes d'écoulement, les coefficients de transfert de chaleur et les pertes de charge par frottement. Dans un second temps, une méthode de traitement d'image a été développée afin de caractériser différents régimes d'écoulement. Cette méthode couplée à une analyse des transferts thermiques a permis d'identifier quatre principaux régimes d'écoulement. L'influence de la température de saturation sur les régimes d'écoulement et leurs transitions a été soulignée et discutée. Les caractéristiques des bulles ont également été étudiées à l'aide de cette méthode. Dans un troisième temps, une base de données expérimentale sur les coefficients de transfert de chaleur a été créée. L'influence de la température de saturation sur les mécanismes de transfert thermique a été étudiée dans ces conditions originales. Afin de tester la fiabilité des méthodes de prédiction, les résultats expérimentaux ont été confrontés à différentes méthodes. Finalement, les chutes de pressions ont été mesurées et une analyse paramétrique a été menée. Les mesures ont été confrontées aux principales méthodes disponibles dans la littérature.

Erosion is a phenomenon related to the detachment and transport of solid particles by hydraulic efforts in hydraulic structures. This pathology which is common in earth structures can lead to their failure, therefore, the understanding and the prediction of this risk is of paramount importance. Soil erodibility is in many cases characterized through the hole erosion test and its numerical modeling is the pivot point of this thesis. The phenomenon of erosion is a coupled problem between the fluid and solid, and two particle based codes are chosen to address this problem : ASPHODEL (ANDRITZ - LMFA) for the fluid phase (method SPH - ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) and YADE (L3S -R) for the solid phase (method DEM Discrete Element method). While YADE has widely been used to model geotechnical problems, ASPHODEL has not been evaluated in this context. This work will constitute a feasibility study for the use of ASPHODEL and its ability to obtain quantitative results for the studied phenomena is addressed. Furthermore, the coupling between the two codes will be carried out in order to study the phenomena of particles detachment along conducts which walls are made with cohesive granular materials. To validate the code ASPHODEL at the particle scale, a study of the viscous flow around a 2D fixed object (cylinder) with different sections (circular, triangular and square) is performed. The drag force, the lift force, the pressure coefficient around the cylinder and the Strouhal number are compared to results obtained from the literature for different Reynolds in the laminar regime. In addition, the coefficient of friction is systematically calculated and also compared with results taken from the literature. The fluid forces on each solid particle are also evaluated. Finally, the partitioned coupling between the solid and fluid codes is developed and qualitatively validated with the problem of sedimentation under gravity of a rigid solid grain in a viscous fluid.; L'érosion est un phénomène d'arrachage et de transport de particules solides par des efforts hydrauliques au sein des ouvrages hydrauliques. Cette pathologie très représentée dans les ouvrages en terre peut conduire à la rupture, aussi, la comprendre et la maîtriser constituent des enjeux sociétaux et industriels très forts. L'érodabilité des matériaux se caractérise au travers notamment d'un essai dit d'érosion de conduit et sa modélisation numérique constitue le pivot de ce travail de thèse. Le phénomène d'érosion est un problème couplé entre le fluide et le solide et nous utiliserons deux codes construits sur des approches particulaires pour aborder le problème : ASPHODEL (ANDRITZLMFA) pour la partie fluide (méthode SPH-ALE Smoothed Particle Hydrodynamics - Arbitrary Lagrangian Eulerian) et YADE (L3S-R) pour la fraction solide (méthode DEM Discrete Element Method). Alors que YADE a été largement utilisé pour modéliser des problèmes géotechniques, ASPHODEL n'a pas encore été évalué dans un tel contexte. Ce travail constituera alors une étude de faisabilité pour l'utilisation d'ASPHODEL dans un contexte du génie civil et donnera les conditions pour espérer obtenir des résultats quantitatifs pour les phénomènes étudiés. Dans un deuxième temps, le couplage entre les deux codes sera construit dans le but d'étudier les phénomènes d'arrachage de particules le long de conduits formés à travers des matériaux granulaires cohérents. La validation du code ASPHODEL à l'échelle de la particule a été effectuée par l'étude de l'écoulement visqueux autour d'un objet 2D (cylindre) fixe et isolé de section circulaire mais aussi carrée ou triangulaire. Les forces de trainée, de portance, le coefficient de pression autour du cylindre et le nombre de Strouhal sont comparés à des résultats issus de la littérature pour différents Reynolds en régime laminaire. La validation du code ASPHODEL à l'échelle de l'échantillon a consisté à étudier un écoulement fluide entre des parois lisses ainsi que des parois constituées de particules solides fixes créant une rugosité. Le coefficient de frottement a été systématiquement calculé et comparé aux résultats issus de la littérature et le torseur fluide sur chaque particule solide des parois a été aussi évalué. Enfin, le couplage partitionné entre les deux codes fluide et solide a été construit et validé qualitativement pour le problème de la sédimentation sous gravité d'un grain solide rigide dans un fluide visqueux.

Water management is a critical issue in the operation of proton exchange fuel cells (PEMFC). On one hand, the membrane must be sufficiently hydrated to allow the transport of protons from the anode side to the cathode side. But on the other hand, supersaturation of water vapour in the gas phase results in liquid water formation, which can be detrimental to the fuel cell operation. Liquid water can clog up the porous structure of the gas diffusion layer (GDL) and hinder the transport of gases in the catalyst layer. Liquid accumulation can also lead to the formation of water columns inside the gas flow channels, thus preventing the fuel gas from flowing into the reaction area.Micro-sensors have been designed to detect the presence of liquid water. Three of them were inserted inside the gas distribution channels of a 25 cm2 cell. The tests run with this equipped cell highlighted the link between the presence of liquid water and the variations of the cell voltage. Besides, existing correlations were used to calculate the pressure drop between the inlet and the outlet of the cathode channel due to two-phase flow during the cell operation. The results of this calculation were compared with experimental results. This part of the study highlighted the influence of the GDL and of the operating conditions on the flows inside the channels, Parmi les nombreuses problématiques liées à la PEMFC, l'eau est un point crucial car elle est à la fois indispensable et indésirable dans le coeur de pile. En effet, les flux gazeux qui alimentent le système en réactifs sont humidifiés pour que la membrane soit convenablement hydratée afin de faciliter le transport des protons de l'anode vers la cathode. Mais à cet apport initial vient s'ajouter l'eau produite par la réaction électrochimique. Des gouttes d'eau liquide peuvent alors se former dans les pores des couches actives et peuvent grossir jusqu'à boucher les canaux des plaques d'alimentation en gaz. Ce travail de thèse est centré sur l'étude des écoulements gaz-liquide dans ces canaux, dont le diamètre hydraulique est de l'ordre du millimètre. Dans un premier temps, des micro-capteurs ont été mis au point pour détecter la présence d'eau liquide. Après une phase de tests en maquette froide, ces micro-capteurs ont été insérés dans une cellule de 25 cm2 de surface active, identique à celles étudiées au LRGP. Ceci a permis de montrer que dans une pile en fonctionnement, les fluctuations de tension sont liées à la présence d'eau liquide. Par ailleurs, des corrélations existantes ont été utilisées pour prédire les pertes de charge engendrées par la présence de deux phases dans les mini-canaux. Ces calculs ont été comparés aux mesures expérimentales, mettant en évidence l'influence de la couche de diffusion des gaz, située entre les canaux et la membrane, et l'importance des conditions opératoires.Ces méthodes originales viennent compléter les outils de diagnostic existants sans demander d'appareillage complexe et coûteux, ni nécessiter le développement de matériel spécifique, non optimisé pour une utilisation commerciale

Water management is a critical issue in the operation of proton exchange fuel cells (PEMFC). On one hand, the membrane must be sufficiently hydrated to allow the transport of protons from the anode side to the cathode side. But on the other hand, supersaturation of water vapour in the gas phase results in liquid water formation, which can be detrimental to the fuel cell operation. Liquid water can clog up the porous structure of the gas diffusion layer (GDL) and hinder the transport of gases in the catalyst layer. Liquid accumulation can also lead to the formation of water columns inside the gas flow channels, thus preventing the fuel gas from flowing into the reaction area.Micro-sensors have been designed to detect the presence of liquid water. Three of them were inserted inside the gas distribution channels of a 25 cm2 cell. The tests run with this equipped cell highlighted the link between the presence of liquid water and the variations of the cell voltage. Besides, existing correlations were used to calculate the pressure drop between the inlet and the outlet of the cathode channel due to two-phase flow during the cell operation. The results of this calculation were compared with experimental results. This part of the study highlighted the influence of the GDL and of the operating conditions on the flows inside the channels; Parmi les nombreuses problématiques liées à la PEMFC, l'eau est un point crucial car elle est à la fois indispensable et indésirable dans le coeur de pile. En effet, les flux gazeux qui alimentent le système en réactifs sont humidifiés pour que la membrane soit convenablement hydratée afin de faciliter le transport des protons de l'anode vers la cathode. Mais à cet apport initial vient s'ajouter l'eau produite par la réaction électrochimique. Des gouttes d'eau liquide peuvent alors se former dans les pores des couches actives et peuvent grossir jusqu'à boucher les canaux des plaques d'alimentation en gaz. Ce travail de thèse est centré sur l'étude des écoulements gaz-liquide dans ces canaux, dont le diamètre hydraulique est de l'ordre du millimètre. Dans un premier temps, des micro-capteurs ont été mis au point pour détecter la présence d'eau liquide. Après une phase de tests en maquette froide, ces micro-capteurs ont été insérés dans une cellule de 25 cm2 de surface active, identique à celles étudiées au LRGP. Ceci a permis de montrer que dans une pile en fonctionnement, les fluctuations de tension sont liées à la présence d'eau liquide. Par ailleurs, des corrélations existantes ont été utilisées pour prédire les pertes de charge engendrées par la présence de deux phases dans les mini-canaux. Ces calculs ont été comparés aux mesures expérimentales, mettant en évidence l'influence de la couche de diffusion des gaz, située entre les canaux et la membrane, et l'importance des conditions opératoires.Ces méthodes originales viennent compléter les outils de diagnostic existants sans demander d'appareillage complexe et coûteux, ni nécessiter le développement de matériel spécifique, non optimisé pour une utilisation commerciale

[Departement_IRSTEA]Ecotechnologies [TR1_IRSTEA]TED [Axe_IRSTEA]TED-EPURE; National audience; L'optimisation des systèmes d'aération des ouvrages de traitement des eaux requière l'étude des écoulements et du transfert de matière qui peut être réalisée à l'aide de la mécanique des fluides numérique et de la modélisation filaire. Le développement de ces outils nécessite cependant une connaissance précise de l'impact des divers obstacles présents dans les bassins d'aération sur les écoulements. Dans ce but, un cas-test, utilisant les outils de la mécanique des fluides numérique et d'un faible coût en temps de calcul, est proposé et appliqué à un tronçon de chenal d'aération réel. L'étude de 18 scenarii a été réalisée à l'aide de cet outil. L'influence de la représentation des obstacles et les coefficients de pertes de charges singulières générés par ceux-ci ont ainsi pu être déterminés. / Optimisation of aeration systems in wastewater treatment requires to study flows and mass transfer that can be investigated using computational fluid dynamics and 1D modelling. Impact of geometric obstacles in aeration tanks on flows must be precisely known to develop such tools. To this aim, a test case was proposed based on computational fluid dynamics and with restricted computational time. The study of 18 scenarios has been performed on a section of a real aeration tank. The influence of obstacles on flows and associated singular pressure drop coefficients were determined.

In single- and two-phase flow heat exchangers (in particular "coils"), besides the straight tubes there are also many singularities, in particular the 180° return bends (also called return bends or U-bends). However, contrary to the literature concerning pressure drops and heat transfer in straight tubes, where many experimental data and predicting methods are available, only a limited number of studies concerning U-bends can be found. Neither reliable experimental data nor proven prediction methods are available. Indeed, flow structure, pressure drop and heat transfer in U-bends are an old unresolved design problem in the heat transfer industry. Thus, the present study aims at providing further insight on two-phase pressure drops and flows patterns in U-bends. Based on a new type of U-bend test section, an extensive experimental study was conducted. The experimental campaign covered five test sections with three internal diameters (7.8, 10.8 and 13.4mm), five bend diameters (24.8, 31.7, 38.1, 54.8 and 66.1mm), tested for three orientations (horizontal, vertical upflow and vertical downflow), two fluids (R134a and R410A), two saturation temperatures (5 and 10 °C) and mass velocities ranging from 150 to 1000kg s-1m-2. The flow pattern observations identified were stratified-wavy, slug-stratified-wavy, intermittent, annular, dryout and mist flows. The effects of the U-bend on the flow patterns were also observed. A total of 5655 pressure drop data were measured at seven different locations in the test section ( straight tubes and U-bend) providing a total of almost 40'000 data points. The straight tube data were first used to improve the actual two-phase straight tube model of Moreno-Quibén and Thome. This updated model was then used to developed a two-phase U-bend pressure drop model. Based on a comparison between experimental and predicted values, it is concluded that the new two-phase frictional pressure drop model for U-bends successfully predicts the new experimental data. The present work is a step forward on the LTCMs flow pattern based work on two-phase flow and heat transfer inside horizontal round tubes: (i) generalized flow pattern map, (ii) flow boiling heat transfer model, (iii) convective condensation model, (iv) two-phase frictional pressure drop model for straight tubes, and (v) two-phase frictional pressure drop model for singularities - U-bends.

Dans la présente étude, on se propose d’étudier l’opportunité d’exploiter l’inertie thermique du sol pour le chauffage. Une étude analytique est présentée. Elle consiste à évaluer les performances thermiques et à optimiser les paramètres de fonctionnement de l’échangeur de chaleur eau/sol utilisé dans la récupération de l’énergie thermique du sol. Les résultats ont montré que les dimensions du système de récupération affectent la quantité de chaleur récupérée du sol. Une étude expérimentale a été aussi effectuée. Elle nous a permis de déterminer les performances de l’échangeur enterré et de valider les résultats du modèle analytique. Les résultats ont montré une bonne concordance, de l’ordre de 7 %, entre les résultats du modèle analytique et les points expérimentaux.

International audience; This contribution presents experiments on cellular sandwich rockfall protection structure. Such structures constitute innovative developments aiming at using the cellular technology, classical in the field of civil engineering, for rockfall protection. In order to explore the mechanical behavior of these systems under dynamic loadings, impact experiments are performed and a numerical model of the structure is developed. The experiments consist of the impact by a 260 kg spherical projectile on a structure composed of gabion cages filled with coarse materials in the front part and fine materials in the kernel part. This structure stands against a rigid concrete wall. In a first time, the methods and results are presented focusing on the transmission of the load (stress) in the impact direction.

Nonwoven fibrous media are textile structures currently found in air filtration applications, especially for fine particles below 1 µm. In this field, we need a compromise between filtration efficiency (particle capture) and pressure drop (fluid flow). The nonwovens' structural characteristics are crucial for the final filtration properties. We propose in this study an original approach by developing our own nonwoven filters with production tools close to industry. In this way, we can select structural criteria (thickness, basis weight, fiber type, fiber diameter etc.) that are adapted to the desired air filtration properties. The study of various structural characteristics shows that the most significant parameter to filtration properties is the fiber diameter. When fiber fineness decreases, we improve filtration efficiency but to the detriment of pressure drop. The expression of basis length of fibers has been defined and appears to be a relevant parameter in the description of filtration properties of our nonwoven structures. Packing density also has an influence on filtration efficiency and pressure drop: these two properties increase with packing density. Our study of nonwovens based on blends with different fiber diameters shows that a good filtration efficiency in these samples was conditioned by a sufficient basis length of fine fibers, while the coarse fibers give a structuring of the fibrous media that guarantees a lower pressure drop. The production of nanofibers with the electrospinning process gives samples with a fiber diameter of 250 nm. The improvement of the compromise between filtration efficiency and pressure drop observed is due to higher Knudsen numbers of nanofibers compared to microfiber samples. The modeling of the filtration properties shows in the case of idealized samples (cylindrical fibers, fiber diameter around 10 µm etc.) that theory is in agreement with experimental results. However, the use of fiber blends or fibers with special cross-section induce some limitations to these models. We propose some solutions by taking into account several structural characteristics of the fibrous media to obtain results closer to the experiments.; Les médias fibreux nontissés sont des structures textiles très répandues dans le cadre de la filtration de l'air et plus particulièrement pour des particules fines de taille inférieure à 1 µm. Dans cette application, on recherche toujours un compromis entre l'efficacité de filtration (capture des particules) et la perte de charge (écoulement du fluide). Les caractéristiques structurelles des nontissés sont des facteurs primordiaux quant aux propriétés finales de filtration recherchées. L'approche est ici originale, car nous proposons de développer nos propres nontissés filtrants à l'aide d'outils de productions proches de l'industrie. Nous pouvons ainsi sélectionner des critères de structures (épaisseur, masse surfacique, type de fibres, diamètre des fibres etc.) adaptés aux propriétés de filtration de l'air que nous souhaitons étudier. Sur l'ensemble des caractéristiques structurelles étudiées nous avons montré que le paramètre le plus significatif sur les propriétés de filtration est le diamètre des fibres. Lorsqu'il diminue, nous augmentons l'efficacité mais au détriment de la perte de charge. L'expression de la longueur surfacique de fibres a été définie et est apparue comme un paramètre pertinent pour rendre compte des propriétés de filtration. Nous avons par ailleurs mis en évidence que la compacité augmentait fortement l'efficacité et la perte de charge. Notre étude sur des échantillons à base d'un mélange de diamètres de fibres montre que l'efficacité de filtration devait être assurée dans de tels mélanges par une longueur surfacique de fibres fines suffisante, alors que la quantité de fibres de diamètre plus élevé permet une structuration du média fibreux garantissant une perte de charge faible. La production de nanofibres par le procédé electrospinning nous a permis d'obtenir des échantillons avec des fibres de 250 nm de diamètre. L'amélioration du compromis efficacité/perte de charge observée est due à des nombres de Knudsen de fibres plus élevés que pour des échantillons microfibres. La modélisation des propriétés de filtration montre dans le cas d'échantillons idéalisés (fibres cylindriques, diamètre de l'ordre de 10 µm etc.) que la théorie est plutôt conforme avec les expérimentations. Cependant nous avons montré qu'en utilisant des mélanges de fibres ou des formes de section de fibres spéciales, ces modèles présentent certaines limites. Nous avons proposé des pistes avec notamment la prise en compte de nombreuses caractéristiques de la structure fibreuse afin d'obtenir des résultats plus proches des expérimentations.

Pleated High Efficiency Particulate Air (HEPA) filters are used for maintaining the containment of radioactive substances in nuclear plants; thus, they are sensitive elements of nuclear safety. Some accidental situations, such as the emergence of a hole on a pipe with release of steam, can lead to a high increase of the air humidity. This work can overcome the lack of analytical data in the literature regarding the behaviour of pleated HEPA filters, in terms of changes in pressure drop and efficiency, in presence of humidity (unsaturated air). Experimental clogging tests have been performed on a test bench with two aerosols: non-hygroscopic micronic alumina particles and hygroscopic submicronic sodium chloride particles. The results showed that the influence of humidity during the clogging of a HEPA filter depends on several parameters: the geometry of the filter (plane or pleated), the size distribution and hygroscopicity of the aerosol clogging and finally the interaction time between the aerosol and humid air. Measurements of efficiency of clean and clogged filters (at different degrees of clogging), performed with the normalized soda fluorescein aerosol, are also sensitive to the presence of more or less relative humidity in the air. Finally, all results helped to develop an empirical model for estimating the evolution of the pressure drop of HEPA filters; this model is applicable during the formation of the particulate cake in presence of humidity without reducing of the surface area filtration; Les filtres plissés à Très Haute Efficacité (THE) sont utilisés pour le maintien du confinement des substances radioactives dans les installations nucléaires ; ils constituent ainsi un des éléments sensibles de la sûreté nucléaire. Certains scénarios accidentels, comme l'apparition d'une brèche sur une tuyauterie avec relâchement de vapeur, peuvent conduire à une forte augmentation de l'humidité relative de l'effluent gazeux filtré. Ces travaux permettent de pallier le manque de données analytiques dans la littérature concernant le comportement des filtres plissés THE, en termes de variations de leur perte de charge et de leur efficacité, en cas d'exposition à un débit d'air humide non saturé. Des expériences de colmatage de filtres ont été réalisées sur un banc d'essais à l'aide de deux aérosols : un aérosol non-hygroscopique micronique d'alumine et un aérosol hygroscopique submicronique de chlorure de sodium. Les résultats ont mis en évidence que l'influence de l'humidité durant le colmatage d'un filtre THE dépend de plusieurs paramètres : la géométrie du filtre (plane ou plissée), la granulométrie et la nature hygroscopique de l'aérosol de colmatage et enfin, le temps d'interaction entre l'aérosol et l'air humide. Des mesures d'efficacité des filtres plissés vierges et à différents degrés de colmatage, réalisées avec l'aérosol normalisé d'uranine, se sont également révélées sensibles à la présence plus ou moins importante d'humidité relative dans l'air. Enfin, l'ensemble des résultats a permis d'élaborer une approche empirique d'estimation de l'évolution de la perte de charge d'un filtre THE ; le modèle qui en résulte est applicable durant la formation sous humidité d'un gâteau de particules sans réduction de la surface de filtration

Pleated High Efficiency Particulate Air (HEPA) filters are used for maintaining the containment of radioactive substances in nuclear plants; thus, they are sensitive elements of nuclear safety. Some accidental situations, such as the emergence of a hole on a pipe with release of steam, can lead to a high increase of the air humidity. This work can overcome the lack of analytical data in the literature regarding the behaviour of pleated HEPA filters, in terms of changes in pressure drop and efficiency, in presence of humidity (unsaturated air). Experimental clogging tests have been performed on a test bench with two aerosols: non-hygroscopic micronic alumina particles and hygroscopic submicronic sodium chloride particles. The results showed that the influence of humidity during the clogging of a HEPA filter depends on several parameters: the geometry of the filter (plane or pleated), the size distribution and hygroscopicity of the aerosol clogging and finally the interaction time between the aerosol and humid air. Measurements of efficiency of clean and clogged filters (at different degrees of clogging), performed with the normalized soda fluorescein aerosol, are also sensitive to the presence of more or less relative humidity in the air. Finally, all results helped to develop an empirical model for estimating the evolution of the pressure drop of HEPA filters; this model is applicable during the formation of the particulate cake in presence of humidity without reducing of the surface area filtration, Les filtres plissés à Très Haute Efficacité (THE) sont utilisés pour le maintien du confinement des substances radioactives dans les installations nucléaires ; ils constituent ainsi un des éléments sensibles de la sûreté nucléaire. Certains scénarios accidentels, comme l'apparition d'une brèche sur une tuyauterie avec relâchement de vapeur, peuvent conduire à une forte augmentation de l'humidité relative de l'effluent gazeux filtré. Ces travaux permettent de pallier le manque de données analytiques dans la littérature concernant le comportement des filtres plissés THE, en termes de variations de leur perte de charge et de leur efficacité, en cas d'exposition à un débit d'air humide non saturé. Des expériences de colmatage de filtres ont été réalisées sur un banc d'essais à l'aide de deux aérosols : un aérosol non-hygroscopique micronique d'alumine et un aérosol hygroscopique submicronique de chlorure de sodium. Les résultats ont mis en évidence que l'influence de l'humidité durant le colmatage d'un filtre THE dépend de plusieurs paramètres : la géométrie du filtre (plane ou plissée), la granulométrie et la nature hygroscopique de l'aérosol de colmatage et enfin, le temps d'interaction entre l'aérosol et l'air humide. Des mesures d'efficacité des filtres plissés vierges et à différents degrés de colmatage, réalisées avec l'aérosol normalisé d'uranine, se sont également révélées sensibles à la présence plus ou moins importante d'humidité relative dans l'air. Enfin, l'ensemble des résultats a permis d'élaborer une approche empirique d'estimation de l'évolution de la perte de charge d'un filtre THE ; le modèle qui en résulte est applicable durant la formation sous humidité d'un gâteau de particules sans réduction de la surface de filtration

This PhD thesis focuses on the design and the characterization of microstructured processes including microchannel networks of various dimensions. The analysis of such multi-scale networks, representative of elementary microsystems parallelization, is mainly used to identify the main geometrical and physical parameters controlling the network performances. Influence of geometrical parameters, such as the internal hydrodynamic resistances ratio, the number of channels and scales and their arrangement in the network, on hydrodynamic criteria like fluid maldistribution and pressure drop is investigated. It is shown that according to some specific constraints, an optimal arrangement of the channels on an even number of scales, allows to reduce significantly the internal flow maldistribution and the consequential pressure losses. The thermal analysis coupled with the hydrodynamic analysis illustrates that the thermal performances of microchannel networks are strongly affected by their internal geometrical arrangement. Nevertheless, the various mixture points located in the network compensate the fluid maldistribution resulting from a non appropriate geometrical arrangement. When consecutive catalytic reactions are performed inside these networks, deviations of the desired product rate can be recorded. These deviations can be reduced by an optimal catalytic network arrangement. The same architecture of these networks is also adapted to allow multi-phase mixing and /or reactions. Thus, using these complex networks, where several variables are considered, guidelines are derived in order to improve their design and their dimensionless; La présente thèse s'intéresse à la conception et la caractérisation des procédés microstructurés mettant en oeuvre des réseaux de microcanaux de différentes dimensions. L'analyse de tels réseaux multi-échelles, représentatifs d'une parallélisastion de microsystèmes élémentaires, a essentiellement servi à identifier les principaux paramètres géométriques et physiques contrôlant les performances de ces réseaux complexes. On a cherché à quantifier l'influence des paramètres géométriques comme le rapport de résistances hydrodynamiques internes, le nombre de canaux et d'échelles opérant ainsi que leur répartition sur le réseau, sur des critères hydrodynamiques comme la maldistribution du fluide et la perte de charge résistive. Il est révélé qu'en fonction des contraintes imposées, un arrangement optimal des canaux sur un nombre pair d'échelles permet de réduire considérablement la maldistribution interne des flux et les pertes de charge résultantes. L'analyse thermique associée à l'analyse hydrodynamique a montré que les performances thermiques des réseaux sont fortement liées à leurs structurations géométriques internes. En présence de réactions catalytiques consécutives, ces mêmes réseaux enregistrent des déviations du rendement du produit désiré. Ces déviations peuvent être levées par une structuration appropriée du réseau catalytique multi-canal. La même architecture de ces réseaux peut être adaptée pour permettre le déroulement des opérations de mélange et/ou des réactions multi-phasiques. Ainsi, pour ces réseaux complexes, où un nombre élevé de variables imbriquées est considéré, des lignes directrices sont ressorties pour aider à leur conception et dimensionnement

This PhD thesis focuses on the design and the characterization of microstructured processes including microchannel networks of various dimensions. The analysis of such multi-scale networks, representative of elementary microsystems parallelization, is mainly used to identify the main geometrical and physical parameters controlling the network performances. Influence of geometrical parameters, such as the internal hydrodynamic resistances ratio, the number of channels and scales and their arrangement in the network, on hydrodynamic criteria like fluid maldistribution and pressure drop is investigated. It is shown that according to some specific constraints, an optimal arrangement of the channels on an even number of scales, allows to reduce significantly the internal flow maldistribution and the consequential pressure losses. The thermal analysis coupled with the hydrodynamic analysis illustrates that the thermal performances of microchannel networks are strongly affected by their internal geometrical arrangement. Nevertheless, the various mixture points located in the network compensate the fluid maldistribution resulting from a non appropriate geometrical arrangement. When consecutive catalytic reactions are performed inside these networks, deviations of the desired product rate can be recorded. These deviations can be reduced by an optimal catalytic network arrangement. The same architecture of these networks is also adapted to allow multi-phase mixing and /or reactions. Thus, using these complex networks, where several variables are considered, guidelines are derived in order to improve their design and their dimensionless, La présente thèse s'intéresse à la conception et la caractérisation des procédés microstructurés mettant en oeuvre des réseaux de microcanaux de différentes dimensions. L'analyse de tels réseaux multi-échelles, représentatifs d'une parallélisastion de microsystèmes élémentaires, a essentiellement servi à identifier les principaux paramètres géométriques et physiques contrôlant les performances de ces réseaux complexes. On a cherché à quantifier l'influence des paramètres géométriques comme le rapport de résistances hydrodynamiques internes, le nombre de canaux et d'échelles opérant ainsi que leur répartition sur le réseau, sur des critères hydrodynamiques comme la maldistribution du fluide et la perte de charge résistive. Il est révélé qu'en fonction des contraintes imposées, un arrangement optimal des canaux sur un nombre pair d'échelles permet de réduire considérablement la maldistribution interne des flux et les pertes de charge résultantes. L'analyse thermique associée à l'analyse hydrodynamique a montré que les performances thermiques des réseaux sont fortement liées à leurs structurations géométriques internes. En présence de réactions catalytiques consécutives, ces mêmes réseaux enregistrent des déviations du rendement du produit désiré. Ces déviations peuvent être levées par une structuration appropriée du réseau catalytique multi-canal. La même architecture de ces réseaux peut être adaptée pour permettre le déroulement des opérations de mélange et/ou des réactions multi-phasiques. Ainsi, pour ces réseaux complexes, où un nombre élevé de variables imbriquées est considéré, des lignes directrices sont ressorties pour aider à leur conception et dimensionnement

National audience; La purification de l'air revêt une grande importance dans de nombreux secteurs tels que les industries nucléaires, pharmaceutiques, agroalimentaires et électroniques. Cette étape de filtration est fréquemment réalisée en utilisant un medium filtrant à base de fibres de verre. Le plissage du medium filtrant, qui augmente la surface de filtration pour un même encombrement de l'équipement, permet d'accroître la capacité de collecte des particules. Les performances du médium filtrant se caractérisent par la probabilité de pénétration des particules (fonction de la taille des particules) et par la perte de charge au travers du medium au débit et conditions du procédé. A ce jour, les études réalisées sur les performances des filtres concernent essentiellement l'évolution de l'efficacité et de la perte de charge sur des media plans. Les paramètres étudiés portent sur la structure du medium (densité des fibres, diamètre des fibres), sur les conditions de fonctionnement (vitesse de filtration, température, pression de gaz) et sur les caractéristiques des aérosols (nature, densité, distribution granulométrique). Ainsi, de nombreux auteurs ont étudié l'évolution de la perte de charge et de l'efficacité de filtration au cours du colmatage par des particules microniques ou submicroniques principalement sur des filtres plans. Au cours de cette étude, nous nous sommes intéressés au colmatage de filtres plissés à petits plis, très répandus dans l'industrie nucléaire française. Préalablement, une caractérisation aéraulique de l'évolution de la perte de charge des filtres en fonction de la vitesse de filtration a été réalisée. Dans un premier temps, des filtres, dont la géométrie des plis correspond à celle des filtres employés dans les installations nucléaires, ont été colmatés, sur un banc d'essais à petite échelle, par des particules microniques pour différentes vitesses de filtration. Les courbes de colmatage obtenues sur le banc d'essais à petite échelle, ont ensuite été confrontées aux résultats obtenus avec l'installation CATFISH qui permet d'étudier, dans des conditions identiques, le colmatage de filtres de dimensions supérieures.

Les filtres hydrauliques conçus pour des applications aéronautiques et spatiales doivent respecter des critères très sévères en ce qui concerne la perte de charge, l'efficacité et la durée de vie d'un élément filtrant. Pour apprécier ces performances, des tests expérimentaux réalisés aux différentes phases du développement constituent encore une étape incontournable qui doit être renouvelée pour chaque nouvel élément. Dans ce contexte, les travaux présentés ont pour but de déterminer par voie numérique le comportement des filtres plissés pour limiter le recours à des tests expérimentaux et dégager quelques règles générales pour la conception de ces filtres. La première partie de ce travail est consacrée à l'analyse et à la modélisation de la filtration à travers un matériau fibreux. Tout d'abord, une étude expérimentale portant sur la microstructure du matériau fibreux et sur ses capacités de filtration a été effectuée. Puis, un modèle de colmatage basé sur l'hypothèse de capture des particules par blocage mécanique a été développé. Ce modèle restitue de façon satisfaisante les deux phases successives de colmatage observées expérimentalement et associées à une filtration en profondeur suivie d'une filtration sur gâteau. Dans une deuxième partie, l'écoulement du fluide ainsi que le transport et la capture des particules sur un pli puis sur un élément filtrant constitué d'un grand nombre de plis sont étudiés. Le processus de filtration est modélisé de façon itérative en couplant le modèle de colmatage développé précédemment à un modèle d'écoulement monodimensionnel préservant l'inertie du fluide. Les résultats sont validés à l'aide de tests expérimentaux et de simulations numériques d'écoulement sous Fluent® et discutés en fonction des caractéristiques géométriques de l'élément filtrant (caractéristiques du media filtrant, ouverture et hétérogénéité des plis, position des entrée –sortie).

The aim of this study is a better comprehension of the phenomena and mechanisms encountered in liquid aerosol filtration and the filtration of mixtures of liquid and solid aerosols in order to improve indoor air quality in the mechanical industries amongst others. The pressure drop and efficiency are the main characteristics studied. The 1 sI chapter presents the material and methods used in this study. The 2nd chapter deals with initial efficiency testing and modelling as weIl as the corresponding literature. The 3rd chapter presents the literature and experiments concerning dynamic liquid aerosol filtration: pressure drop and penetration evolution, the influence of an aerosol generation interruption on the filter pressure drop as weIl as a phenomenological model describing the pressure drop and penetration of a filter throghout the filtration process. The 4th chapter deals with the filtration of liquid and solid aerosol mixtures. A conclusion and perspectives of future work are presented.; Cette étude contribue à une meilleure compréhension des phénomènes et mécanismes rencontrés en filtration des aérosols liquides ou de mélanges d'aérosols liquides et solides afin d'améliorer la qualité de l'air dans les locaux de travail des industries mécaniques entre autres. La perte de charge et l'efficacité ont été étudiées principalement. Le 1 er chapitre présente le matériel et les méthodes utilisées. L'étude bibliographique ainsi que les résultats concernant les filtres vierges sont présentés dans le 2ème chapitre. Il traite également de l'efficacité initiale et de ses modélisations. L'étude bibliographique et les résultats concernant la filtration dynamique sont présentés dans le 3ème chapitre: l'évolution de la perte de charge, de l'efficacité ainsi que le cas des cycles de colmatage, modélisation phénoménologique. Le 4ème chapitre est consacré à la filtration des mélanges de particules solides et liquides. Une conclusion et des perspectives de cette étude sont présentées.

The aim of this study is a better comprehension of the phenomena and mechanisms encountered in liquid aerosol filtration and the filtration of mixtures of liquid and solid aerosols in order to improve indoor air quality in the mechanical industries amongst others. The pressure drop and efficiency are the main characteristics studied. The 1 sI chapter presents the material and methods used in this study. The 2nd chapter deals with initial efficiency testing and modelling as weIl as the corresponding literature. The 3rd chapter presents the literature and experiments concerning dynamic liquid aerosol filtration: pressure drop and penetration evolution, the influence of an aerosol generation interruption on the filter pressure drop as weIl as a phenomenological model describing the pressure drop and penetration of a filter throghout the filtration process. The 4th chapter deals with the filtration of liquid and solid aerosol mixtures. A conclusion and perspectives of future work are presented., Cette étude contribue à une meilleure compréhension des phénomènes et mécanismes rencontrés en filtration des aérosols liquides ou de mélanges d'aérosols liquides et solides afin d'améliorer la qualité de l'air dans les locaux de travail des industries mécaniques entre autres. La perte de charge et l'efficacité ont été étudiées principalement. Le 1 er chapitre présente le matériel et les méthodes utilisées. L'étude bibliographique ainsi que les résultats concernant les filtres vierges sont présentés dans le 2ème chapitre. Il traite également de l'efficacité initiale et de ses modélisations. L'étude bibliographique et les résultats concernant la filtration dynamique sont présentés dans le 3ème chapitre: l'évolution de la perte de charge, de l'efficacité ainsi que le cas des cycles de colmatage, modélisation phénoménologique. Le 4ème chapitre est consacré à la filtration des mélanges de particules solides et liquides. Une conclusion et des perspectives de cette étude sont présentées.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Non disponible / Not available, Le cadre de cette étude est l'assainissement de l'air des locaux de travail et plus précisément l'étude des systèmes de dépoussiérage industriels. Les performances des media filtrants constitutifs des dépoussiéreurs sont déterminées expérimentalement lors de cycles de colmatage par des aérosols microniques et décolmatage par à-coup de pression à contre-courant. Les résultats expérimentaux obtenus montrent tout d'abord que la perte de charge et l'efficacité de filtration d'un medium filtrant augmentent lors du colmatage. La filtration des particules microniques est de plus caractérisée par l'apparition rapide d'un régime de colmatage en surface avec formation d'un gâteau de particules en surface du medium filtrant qui contrôle alors l'efficacité de filtration, les propriétés du medium filtrant n'intervenant plus à l'état colmaté. Le décolmatage des media filtrants colmatés, étudié par la suite, se traduit par une régénération du medium filtrant. Une diminution de la perte de charge et de l'efficacité de filtration, liée au décollement de la couche de particules, est observée. Au fur et à mesure des cycles, la capacité de décolmatage d'un medium filtrant se dégrade (augmentation de la perte de charge et de l'efficacité à l'état décolmaté) et sa durée de vie est alors fortement dépendante de ses propriétés physiques. Les essais montrent qu'elle est améliorée par une augmentation de la rigidité du medium filtrant et la présence d'un traitement de surface. La détermination par calcul de la fraction décolmatée, paramètre caractéristique du décolmatage par plaques observé, permet de qualifier l'évolution de l'état d'un medium filtrant au cours des cycles et constitue un élément de comparaison des différents media. Des mesures réalisées sur des dépoussiéreurs industriels réels ont confirmé ces résultats, obtenus en laboratoire, et la compétition permanente entre l'amélioration des conditions aérauliques et celle des performances de filtration. Un bilan de ces essais expérimentaux, motivé par des soucis de prévention, est donné. Une fréquence de décolmatage faible, bien que coûteuse d'un point de vue énergétique, est à privilégier pour limiter les baisses d'efficacité et l'exposition des personnes.

The phase out of chlorine containing refrigerants (CFC and HCFC) has led to the introduction of new refrigerants and lubricants to the market. The interest in using HFC fluids as working fluids in heat pumps and refrigerating systems has increased during the last decade due to their ability to replace fluids harmful to the stratospheric ozone layer. The study presents the influence of synthetic oil (POE ISO 68) on flow boiling of refrigerants R134a (pure fluid) and R410A (R32/R125 50%/50%). Local and average heat transfer coefficients and pressure drops have been measured for a smooth horizontal tube. The distribution of the heat transfer coefficient at the inner walI has been obtained from solving the inverse heat conduction problem (IHCP) and resulted in a local combination of nucleate and convective contributions to flow boiling. Local heat transfer coefficients have been averaged and displayed as a function of the vapour quality. For R134a: small amounts of oil (1 % to 6% in the liquid phase) increased the heat transfer coefficient at low and intermediate vapour qualities (Iess than 0.60) compared to pure fluid. However a hugh reduction of the heat transfer has been observed at higher vapour qualities. For R410A: oil dramatically decreases the heat transfer coefficient compared to pure fluid. Pressure drops are also affected by small amounts of lubricant: an important increase has been noted for both fluids. Available design methods for flow boiling heat transfer coefficient (superposition, enhancement, asymptotic) badly predict the experimental results. Nevertheless a new design method accounting for flow patterns has shown good agreements. The influence of the lubricant on the heat transfer is discussed and a new proposition is made to calculate pressure drops., La présence d'huile de lubrification dans les installations frigorifiques industrielles et domestiques, liée aux divers systèmes de compression, remet en cause les méthodes classiquement employées pour le dimensionnement des échangeurs de chaleur, et notamment les évaporateurs à tubes et calandres. Le caractère imprévisible de l'influence de l'huile sur l'ébullition en convection forcée des fluides frigorigènes a été souligné par de nombreuses études, qui mettent aussi en évidence un comportement local des transferts de chaleur. Un dispositif expérimental spécifique et un outil de dépouillement adapté, la thermique inverse, ont permis d'obtenir la distribution du coefficient de transfert de chaleur sur la paroi interne d'un tube lisse. Cette nouvelle représentation des résultats expérimentaux fait clairement apparaître l'influence du lubrifiant sur l'ébullition convective des fluides frigorigènes. Elle met aussi en évidence le couplage local des deux contributions à l'ébullition en convection forcée : ébullition nucléée et ébullition convective. L'intégration des résultats locaux aboutit à des valeurs locales moyennes du coefficient de transfert qui ont pu être comparées aux valeurs fournies par divers modèles de la littérature. Les limitations de ces modèles sont présentées. Des propositions sont faites afin de prendre en compte les divers effets du lubrifiant sur les transferts de chaleur, les configurations des écoulements diphasiques, ainsi que sur les pertes de pression linéaires.

The phase out of chlorine containing refrigerants (CFC and HCFC) has led to the introduction of new refrigerants and lubricants to the market. The interest in using HFC fluids as working fluids in heat pumps and refrigerating systems has increased during the last decade due to their ability to replace fluids harmful to the stratospheric ozone layer. The study presents the influence of synthetic oil (POE ISO 68) on flow boiling of refrigerants R134a (pure fluid) and R410A (R32/R125 50%/50%). Local and average heat transfer coefficients and pressure drops have been measured for a smooth horizontal tube. The distribution of the heat transfer coefficient at the inner walI has been obtained from solving the inverse heat conduction problem (IHCP) and resulted in a local combination of nucleate and convective contributions to flow boiling. Local heat transfer coefficients have been averaged and displayed as a function of the vapour quality. For R134a: small amounts of oil (1 % to 6% in the liquid phase) increased the heat transfer coefficient at low and intermediate vapour qualities (Iess than 0.60) compared to pure fluid. However a hugh reduction of the heat transfer has been observed at higher vapour qualities. For R410A: oil dramatically decreases the heat transfer coefficient compared to pure fluid. Pressure drops are also affected by small amounts of lubricant: an important increase has been noted for both fluids. Available design methods for flow boiling heat transfer coefficient (superposition, enhancement, asymptotic) badly predict the experimental results. Nevertheless a new design method accounting for flow patterns has shown good agreements. The influence of the lubricant on the heat transfer is discussed and a new proposition is made to calculate pressure drops., La présence d'huile de lubrification dans les installations frigorifiques industrielles et domestiques, liée aux divers systèmes de compression, remet en cause les méthodes classiquement employées pour le dimensionnement des échangeurs de chaleur, et notamment les évaporateurs à tubes et calandres. Le caractère imprévisible de l'influence de l'huile sur l'ébullition en convection forcée des fluides frigorigènes a été souligné par de nombreuses études, qui mettent aussi en évidence un comportement local des transferts de chaleur. Un dispositif expérimental spécifique et un outil de dépouillement adapté, la thermique inverse, ont permis d'obtenir la distribution du coefficient de transfert de chaleur sur la paroi interne d'un tube lisse. Cette nouvelle représentation des résultats expérimentaux fait clairement apparaître l'influence du lubrifiant sur l'ébullition convective des fluides frigorigènes. Elle met aussi en évidence le couplage local des deux contributions à l'ébullition en convection forcée : ébullition nucléée et ébullition convective. L'intégration des résultats locaux aboutit à des valeurs locales moyennes du coefficient de transfert qui ont pu être comparées aux valeurs fournies par divers modèles de la littérature. Les limitations de ces modèles sont présentées. Des propositions sont faites afin de prendre en compte les divers effets du lubrifiant sur les transferts de chaleur, les configurations des écoulements diphasiques, ainsi que sur les pertes de pression linéaires.

Not available, L’objectif ultime de ces travaux de recherche est le dimensionnement d'un échangeur électrique (tube à passage de courant), dans lequel la chaleur est générée au sein même du tube traversé par un courant électrique. Ces réchauffeurs sont constitués d'un nombre donne de tubes rectilignes reliés entre eux par des coudes non chauffés. Cette technologie est particulièrement adaptée au traitement thermique des liquides agroalimentaires, qui sont en général non newtoniens, et éventuellement fortement dépendants de la température. Les fluides de travail sont de deux types (rhéofluidifiant et viscoplastique), leur loi de comportement modélisant une classe importante de liquides agroalimentaires. L'étude numérique et expérimentale de l'écoulement de tels fluides en conduite annulaire nous conduit à : - proposer des corrélations décrivant les échanges thermiques et les pertes de charge pour le régime de convection forcée, adaptées au type de liquide, aux conditions aux limites imposées, au régime et à la géométrie de l'écoulement - quantifier les effets de la convection naturelle sur le coefficient d'échange dans le cas de la convection mixte. Parallèlement, une étude expérimentale relative à l'écoulement de fluides non newtoniens en conduite courbe nous permet de caractériser l'influence de cette zone de raccordement sur la structure des champs dynamique et thermique.

This report is a study of plate heat exchangers fouling. This problem is dealt with anew point of view, the entropic criterion, which allows to take into account both themechanical and therrmal energy losses. Different models are developped: mono-dimensionnal model for the half-exchanger and the whole exchanger. A global model for the whole exchanger (exchanger taken as a "black box") is also applied. These models are used with different kinds of parameters (temperatures, regimes and kinds. of flow) and adimensionnements (compared with the initial power or compared with non fouling initial state) for the basic geometry of a plate exchanger. Moreover the study of industrial cases for corrugated plates heat exchangers is done for the global model. The experimental aspect of this work is an ice deposit simulation. The different devices used for this part are detailed. The analysis of the first results allowed to understand the influence of parameters like temperatures and flows, in the ice formation growth. These results agreed with the models described above, for the range of the experiments done., Ce rapport est une étude de l'encrassement des échangeurs de chaleur à plaques. Le travail est abordé sous un angle nouveau, celui du critère entropique qui permet, à la fois de rendre compte des dégradations d'énergie mécanique, et thermique. Différents modèles sont développés : modèle mono-dimensionnel pour le demi-échangeur et l'échangeur complet ainsi que le modèle global pour l'échangeur complet (échangeur considéré comme une "boîte noire"). Ces modèles sont utilisés pour différents paramètres (températures, régimes et types d'écoulement) et adimensionnements (par rapport à la puissance initiale ou par rapport à l'état initial non encrassé) pour la configuration de base d'un éçhangeur à plaques. De plus l'étude de cas industriels pour des échangeurs à plaques corruguées a été menée en modèle global. L'aspect expérimental du travail , repose sur une simulation par dépôt de glace. Les diversmontages utilisés ainsi que la métrologie empioyée sont détaillés. L'exploitation d'une première campagne de mesures a permis de comprendre l'influence de certains paramètres (températures, débits) dans la formation du dépôt de glace et de valider en partie les modèles décrits précédemment.

Not available, Dans le cadre d'un projet européen F.L.A.I.R., l'étude du LEMTA-CNRS a porté sur un mélange de sphères dans des liquides newtoniens et non newtoniens de viscosités ou consistances variables. La géométrie d'écoulement se divise en un tube simple suivi d'une succession de convergents-élargissements brusques destines à brasser le fluide. Un élément chauffant en cuivre, identique à la géométrie, a permis de déterminer les coefficients d'échange liquide-sphère et les lois de transfert de chaleur paroi-mélange. Un film vidéo a été réalisé pour suivre le comportement des sphères baignant dans différentes concentrations non newtoniennes coulant dans le tube et la géométrie. Il montre l'accumulation de débris solides en aval de l'élargissement brusque pouvant conduire à l'encrassement dans le cas de fortes concentrations de sphères. Le second résultat montre l'apparition précoce de la turbulence dans la géométrie, à des nombres de Reynolds faibles (Re=200). Pour le tube, l'introduction de sphères accroit la perte de charge et renforce le caractère non newtonien du mélange. Une première campagne de mesure par vélocimétrie laser a donné le champ de vitesse dans la géométrie complexe. Une deuxième campagne mettant en œuvre la technique électrochimique, a permis l'identification des régimes d'écoulement diphasiques. Dans la géométrie, le gradient de vitesse pariétal est nettement accru pour les mélanges liquides non newtoniens-sphères. De même, on constate un accroissement du taux de fluctuation du gradient pariétal de vitesse. Les différentes solutions non-newtoniennes étudiées ont montré une étroite dépendance du gradient pariétal de vitesse avec les interactions particule-liquide, la viscosité du liquide suspendant limitant les propriétés diffusionnelles des sphères. Ceci a été confirmé par l'étude thermique.

Not available, L’objectif de ce travail de thèse repose sur une caractérisation thermohydraulique du comportement d'un fluide pur en ébullition en convection forcée dans des géométries particulières : les canaux d'un échangeur à plaques et ailettes brasées sous vide. Grâce à un dispositif expérimental adapté et une métrologie diphasique, des mesures locales ont pu être effectuées à l'intérieur des canaux (de l'ordre du millimètre) ; l'évolution de la température et de la pression du fluide, et de la température de paroi donnent accès au coefficient de transfert de chaleur local le long de l'échangeur. Par ailleurs des mesures ont également été menées lors d'essais adiabatiques : les pertes de pression sont ainsi déterminées et une mesure du taux de vide moyen est réalisée. Un modèle basé sur l'hypothèse d'un film liquide s'écoulant sur les parois est développé ; les pertes de pressions ainsi que l'épaisseur du film liquide sont ainsi évaluées lors d'un écoulement adiabatique. Les difficultés liées à l'extrapolation de ce modèle pour un écoulement avec changement de phase sont présentées et justifiées. Afin d'aider au dimensionnement de ce type d'échangeur, plusieurs corrélations sont confrontées à nos résultats expérimentaux : les corrélations les plus adaptées sont alors incorporées à un modèle empirique qui permet de traiter les deux régimes d'ébullition mis en évidence : l'ébullition nucléée et l'évaporation convective.

Not available, L’écoulement des fluides thixotropes en conduite est très mal connu. Pourtant le nombre de ces fluides est très important ; en particulier dans l'industrie agro-alimentaire. Le but de cette étude de thèse était donc de mettre en place une installation expérimentale permettant l'étude de l'écoulement d'un fluide modèle thixotrope, de caractériser rhéologiquement notre fluide modelé et de donner des éléments de mécanique de ces fluides. Le fluide modèle que nous utilisons est à base d'argile et d'un polymère de cellulose. En ce qui concerne l'installation expérimentale, celle-ci permet de créer un écoulement de fluide à débit contrôlé ; le fluide laisse au repos est en mis en écoulement par déplacement d'un piston, comme pour une seringue. rhéologiquement, nous avons modélisé notre fluide modèle à partir d'une relation contrainte-structure et d'une cinétique d'évolution de la structure. Grâce à ce modèle, nous avons simulé très correctement les cycles d'hystérésis obtenus à vitesse de cisaillement imposée. L’étude de l'évolution des chutes de pression et des profils de vitesse, obtenus par vélocimétrie ultrasonore à effet doppler pulsé, dans le temps mais aussi dans l'espace nous a permis de donner des éléments de mécanique des fluides thixotropes et de mettre en évidence, par exemple, une très nette restructuration du fluide sous écoulement

Not available, L’objectif de ce travail de thèse repose sur une caractérisation thermohydraulique du comportement d'un fluide pur en ébullition en convection forcée dans des géométries particulières : les canaux d'un échangeur à plaques et ailettes brasées sous vide. Grâce à un dispositif expérimental adapté et une métrologie diphasique, des mesures locales ont pu être effectuées à l'intérieur des canaux (de l'ordre du millimètre) ; l'évolution de la température et de la pression du fluide, et de la température de paroi donnent accès au coefficient de transfert de chaleur local le long de l'échangeur. Par ailleurs des mesures ont également été menées lors d'essais adiabatiques : les pertes de pression sont ainsi déterminées et une mesure du taux de vide moyen est réalisée. Un modèle basé sur l'hypothèse d'un film liquide s'écoulant sur les parois est développé ; les pertes de pressions ainsi que l'épaisseur du film liquide sont ainsi évaluées lors d'un écoulement adiabatique. Les difficultés liées à l'extrapolation de ce modèle pour un écoulement avec changement de phase sont présentées et justifiées. Afin d'aider au dimensionnement de ce type d'échangeur, plusieurs corrélations sont confrontées à nos résultats expérimentaux : les corrélations les plus adaptées sont alors incorporées à un modèle empirique qui permet de traiter les deux régimes d'ébullition mis en évidence : l'ébullition nucléée et l'évaporation convective.

Non disponible, Dans le but d'apporter une contribution aux techniques de prédiction des écoulements gaz-solide par simulation lagrangienne, on se propose de simuler le transport de particules sphériques en suspension dans l'air, en s'attachant plus particulièrement à tenir compte des interactions entre particules. Un premier chapitre est consacré à la description détaillée du calcul d'une trajectoire en faisant une revue bibliographique portant sur les actions du fluide sur les particules, et sur la modélisation des interactions particules-paroi. Quant aux interactions, ou collisions, entre particules, elles sont introduites, par une méthode probabiliste originale, dans les calculs de trajectoires d'une simulation lagrangienne. La validation du code de simulation réalisé est effectuée par comparaison des profils de concentration et de vitesse, et de l'évolution de la pression le long d'un circuit, avec des résultats expérimentaux connus. Une étude paramétrique approfondie démontre l'influence prépondérante des phénomènes de paroi, ainsi que des grandeurs caractéristiques des collisions, en particulier sur l'évolution de la pression. La discussion des résultats permet de conclure sur la difficulté de la prévision des pertes de charge si l'on ne dispose pas d'informations précises sur ces différents paramètres

Non disponible, Dans le but d'apporter une contribution aux techniques de prédiction des écoulements gaz-solide par simulation lagrangienne, on se propose de simuler le transport de particules sphériques en suspension dans l'air, en s'attachant plus particulièrement à tenir compte des interactions entre particules. Un premier chapitre est consacré à la description détaillée du calcul d'une trajectoire en faisant une revue bibliographique portant sur les actions du fluide sur les particules, et sur la modélisation des interactions particules-paroi. Quant aux interactions, ou collisions, entre particules, elles sont introduites, par une méthode probabiliste originale, dans les calculs de trajectoires d'une simulation lagrangienne. La validation du code de simulation réalisé est effectuée par comparaison des profils de concentration et de vitesse, et de l'évolution de la pression le long d'un circuit, avec des résultats expérimentaux connus. Une étude paramétrique approfondie démontre l'influence prépondérante des phénomènes de paroi, ainsi que des grandeurs caractéristiques des collisions, en particulier sur l'évolution de la pression. La discussion des résultats permet de conclure sur la difficulté de la prévision des pertes de charge si l'on ne dispose pas d'informations précises sur ces différents paramètres

No available, Le transfert et la dissipation de l'énergie dans une colonne pulsée sont primordiaux car ils conditionnent la taille des gouttes formées. Cette étude propose et valide un modèle de pertes de charge instantanées dans des colonnes à disques et couronnes pulsées pneumatiquement, pour un écoulement monophasique. Le modèle retenu fait intervenir additivement un terme hydrostatique, un terme inertiel, un terme de frottement et les grandeurs cinématiques instantanées de l'écoulement déterminées par une méthode basée sur des mesures de pression. Cette modélisation nécessite l'identification de trois paramètres : un terme de charge hydrostatique, un facteur d'inertie, un facteur de frottement. Une étude des pertes de charge en régime permanent a permis d'établir que ce dernier ne dépend que de la géométrie de la colonne. Une étude du régime pulsé a permis de valider le modèle en présence et en l'absence d'un débit permanent surimposé. Les valeurs des paramètres du modèle sont utilisées comme outil de caractérisation du comportement du système de pulsation et permettent la mise en évidence d'un jeu a la paroi. Ces valeurs ne dépendent pas des propriétés physicochimiques du fluide véhiculé. Le facteur de frottement ne dépend que de la géométrie de la colonne et est identique à celui obtenu en régime permanent. Le modèle proposé permet de quantifier la puissance moyenne dissipée et certaines grandeurs caractéristiques de la turbulence. Le produit amplitude fréquence apparait comme la grandeur caractéristique de la dissipation de l'énergie. Enfin, des éléments permettant l'extension du modèle à des écoulements pulsés diphasiques sont présentés