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The present work is part of a research project that deals with turbulent flows downstream pipe installation elements, for instance a 90 degrees bend or an S-shaped double bend. The aim of this study is to reach a better understanding of the turbulent flows where industrial flowmeters are installed in order to enhance their accuracy. This article shows the first results of the experimental work done at EDF R&D’s test bed using the multi-pulse Shake The Box technique. The conducted experiments have provided velocity fields for multiple flow rates at two different locations downstream the investigated installation., Le présent travail s'inscrit dans un projet de recherche qui s'intéresse aux écoulements turbulents en aval de singularités (comme un simple coude ou un double coude coplanaire en S). L'objectif de cette étude est d'appréhender l'écoulement aux endroits où les débitmètres industriels sont installés dans le but d'améliorer leur précision métrologique. Cet article présente les résultats des premiers essais de vélocimétrie laser, plus précisément la méthode Shake The Box multi pulse, menés sur un banc d'essai de EDF R&D à Chatou. Les essais ont conduit à la reconstruction des champs de vitesse pour différents débits de commande et à deux stations de mesure différentes en aval de la singularité étudiée.

Civil engineering activities are high emitters of dust. They accounted for 18% of emissions in France in 2018, i.e. about 138,000 tons of suspended particles. Truck traffic during the earthmoving phase is the main cause of emissions. It takes place on unpaved runways built from compacted soils that are gradually degrading. This generates dust plumes that can have health and environmental impacts and reduce visibility. To limit these nuisances, earthworkers water the runways extensively, which wastes water. To date, the mechanisms of appearance, lift and transport of dust particles on construction sites are poorly quantified. This thesis aims to study the processes that lead soil particles, initially bound together within a granular matrix, to become atmospheric aerosols. First of all, the mechanism of dust appearance is studied by simulating the circulation of tires above different soils. In a second phase, the process of particle lift initiation is assessed in a wind tunnel by considering the aerodynamic phenomena at the soil-atmosphere interface. A model based on convective turbulence is implemented to quantify the capacity of soils to emit dust. The transport of dust particles by the trucks in circulation is also highlighted in wind tunnels with scale models. The laboratory tests are completed by in-situ experiments on a test track by measuring the dust emissions of different vehicles with optical particle counters. This work highlights the influence of geotechnical, environmental and aerodynamic parameters which lead to an increase in the concentration of suspended dust during the circulation of haul trucks., Les chantiers de génie civil sont fortement émetteurs de poussières. Ils représentaient 18% des émissions en France en 2018, soit environ 138 000 tonnes de particules mises en suspension. La circulation des engins lors de la phase des terrassements est la principale cause des émissions. Elle a lieu sur des pistes non revêtues construites à partir de sols compactés qui se dégradent progressivement. Cela génère des nuages de poussières qui peuvent avoir des impacts sanitaires, environnementaux et qui atténuent la visibilité. Pour limiter ces nuisances, les terrassiers arrosent abondamment les pistes de circulation, ce qui entraîne un gaspillage d'eau. A l'heure actuelle, les mécanismes d'apparition, d'envol et de transport des poussières sur les chantiers sont mal quantifiés. Cette thèse vise à étudier les processus qui entraînent des particules de sol, initialement liées entre elles au sein d'une matrice granulaire, à devenir des aérosols atmosphériques. Dans un premier temps, le mécanisme d'apparition des poussières est étudié en simulant la circulation de pneus sur différents sols. Dans une seconde phase, le processus d'initiation de l'envol des particules est étudié en soufflerie en considérant les phénomènes aérodynamiques à l'interface sol-atmosphère. Un modèle basé sur la turbulence convective est mis en place pour quantifier la capacité des sols à émettre des poussières. Le transport des particules dans les écoulements de sillage est également étudié en soufflerie à l'aide de maquettes. Les essais en laboratoire sont complétés par des expérimentations in-situ sur piste d'essais avec différents véhicules. Ce travail met en évidence l'influence des paramètres géotechniques, environnementaux et aérodynamiques qui conduisent à une augmentation de la concentration des poussières en suspension lors de la circulation des engins de chantier.

The flow of dense fluids within thin-walled piping systems may lead to significant levels of Flow-Induced Vibration, mainly in the vicinities of singularities such as obstacles inserted into the flow, sudden changes of cross-sectional area or flow direction. This study focuses on the analysis and reduced-order modelling of the vibrational source associated with the turbulent flow of liquids through a 90° elbow.A mixed experimental-computational approach is undertaken. A closed water loop containing a transparent elbow was designed in order to allow for fluid velocity measurements inside the singularity. To this purpose, planar and stereoscopic Particle Image Velocimetry (PIV) were employed. Wall pressure fluctuations and structural vibrations were measured simultaneously. Several flow configurations were tested in order to obtain a large coupled database linking the flow to the dynamic excitation, and then to the vibration response of the structure.In parallel, the unsteady water flow through the elbow was computed using Large-Eddy Simulation (LES). The fluid simulation allowed for a detailed study of the turbulent flow through the singularity and the unsteady pressure field induced on the piping walls. Finally, a set of statistical tools was applied to both experimental and computational data in order to propose a reduced-order model of the transfer function that links the tur-bulent flow to the dynamic excitation of the elbowed piping structure.; Les réseaux de tuyauterie industriels sont le siège de niveaux importants de vibrations induites par l’écoulement qui peuvent mener à la rupture par fatigue des installations. La présente étude se concentre sur l’analyse et modélisation simplifiée de la source vibratoire associée au passage d’un écoulement liquide turbulent par un coude à 90°. Une approche combinant expériences et simulation a été conduite. Une boucle de circulation d’eau munie d’un coude transparent a été conçue afin de permettre des me-sures de vitesse à l’intérieur du coude. Pour cette finalité, les techniques de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) plane et stéréoscopique ont été utilisées. La pression pariétale et les vibrations du banc d’essais ont été mesurées simultanément. Plusieurs configurations d’écoulement ont été testées afin d’obtenir une riche base de données couplées reliant l’écoulement fluide à l’excitation dynamique des parois et, finalement, à la réponse vibratoire de la structure. En parallèle, l’écoulement instationnaire d’eau dans le coude a été simulé au moyen d’une approche du type Simulation des Grandes Echelles (LES). La simulation fluide a permis d’étudier en détails la topologie de l’écoulement turbulent au passage du coude ainsi que le champ instationnaire de pression fluctuante induit sur la paroi. Finale-ment, un ensemble d’outils statistiques a été appliqué aux données expérimentales et numériques afin de proposer un modèle simplifié des transferts qui relient l’écoulement turbulent à la sollicitation dynamique de la structure contenant le coude.

The flow of dense fluids within thin-walled piping systems may lead to significant levels of Flow-Induced Vibration, mainly in the vicinities of singularities such as obstacles inserted into the flow, sudden changes of cross-sectional area or flow direction. This study focuses on the analysis and reduced-order modelling of the vibrational source associated with the turbulent flow of liquids through a 90° elbow.A mixed experimental-computational approach is undertaken. A closed water loop containing a transparent elbow was designed in order to allow for fluid velocity measurements inside the singularity. To this purpose, planar and stereoscopic Particle Image Velocimetry (PIV) were employed. Wall pressure fluctuations and structural vibrations were measured simultaneously. Several flow configurations were tested in order to obtain a large coupled database linking the flow to the dynamic excitation, and then to the vibration response of the structure.In parallel, the unsteady water flow through the elbow was computed using Large-Eddy Simulation (LES). The fluid simulation allowed for a detailed study of the turbulent flow through the singularity and the unsteady pressure field induced on the piping walls. Finally, a set of statistical tools was applied to both experimental and computational data in order to propose a reduced-order model of the transfer function that links the tur-bulent flow to the dynamic excitation of the elbowed piping structure.; Les réseaux de tuyauterie industriels sont le siège de niveaux importants de vibrations induites par l’écoulement qui peuvent mener à la rupture par fatigue des installations. La présente étude se concentre sur l’analyse et modélisation simplifiée de la source vibratoire associée au passage d’un écoulement liquide turbulent par un coude à 90°. Une approche combinant expériences et simulation a été conduite. Une boucle de circulation d’eau munie d’un coude transparent a été conçue afin de permettre des me-sures de vitesse à l’intérieur du coude. Pour cette finalité, les techniques de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) plane et stéréoscopique ont été utilisées. La pression pariétale et les vibrations du banc d’essais ont été mesurées simultanément. Plusieurs configurations d’écoulement ont été testées afin d’obtenir une riche base de données couplées reliant l’écoulement fluide à l’excitation dynamique des parois et, finalement, à la réponse vibratoire de la structure. En parallèle, l’écoulement instationnaire d’eau dans le coude a été simulé au moyen d’une approche du type Simulation des Grandes Echelles (LES). La simulation fluide a permis d’étudier en détails la topologie de l’écoulement turbulent au passage du coude ainsi que le champ instationnaire de pression fluctuante induit sur la paroi. Finale-ment, un ensemble d’outils statistiques a été appliqué aux données expérimentales et numériques afin de proposer un modèle simplifié des transferts qui relient l’écoulement turbulent à la sollicitation dynamique de la structure contenant le coude.

One type of low head hydropower plant is studied. This solution, based on a bathtub vortex, is called the gravitational vortex hydropower. It consists in a turbine placed at the center of the vortex which harvests the vortex kinetic energy. As a first step, the bathtub vortex is studied without the turbine, in the supercritical flow regime. An experimental campaign is carried out to study this bathtub vortex. Water heights are measured using acoustic sensors in seven points in the tank. A laser Doppler velocimetry device is deployed to measure the velocities in three planes in the water flow. Simulations are performed using OpenFOAM 2.2.2 with a two phase approach using the volume of fluid method (solver interFoam). First simulations are performed without any modelling of turbulent phenomena (laminar model), afterwards the k-epsilon RNG model and the k-omega SST model are tested. The experimental data are compared qualitatively and quantitatively to the values extracted from the numerical model. The laminar and k-omega SST turbulence model calculate accurately the water heights in the tank. The water heights predicted by the k-epsilon RNG turbulence model are lower than the measured ones. Generally, velocity profiles calculated by laminar and k-omega SST turbulence model are close to the experimental. In the vicinity of the free surface differences are higher. Radial and axial velocities calculated by the k-omega SST turbulence model are closer to the experimental velocities than those computed with the laminar model., Un type d'usine hydroélectrique pour faible hauteur de chute est étudié. Il se base sur la formation d'un tourbillon de vidange au sein duquel est plongée une turbine. Dans un premier temps le tourbillon de vidange est étudié sans turbine. Une campagne expérimentale permettant l'étude de ce tourbillon de vidange est conduite. Lors de cette campagne, les hauteurs d'eau et les vitesses dans le tourbillon sont mesurées. Ces dernières sont déterminées en utilisant un système de vélocimétrie laser (Laser Doppler Velocimetry, LDV). Un modèle numérique du tourbillon est réalisé avec le solveur interFoam du logiciel OpenFOAM 2.2.2, avec une approche diphasique. Les données expérimentales sont comparées qualitativement et quantitativement aux données numériques. Un calcul est réalisé en laminaire et les modèles de turbulence k-ε RNG et k-ω SST sont testés. Globalement le calcul laminaire et le modèle k-ω SST représente correctement le phénomène physique observé. Les vitesses proches de la surface libre sont moins bien estimées.

Colloque avec actes et comité de lecture. Internationale.; International audience; Pour un écoulement libre, une approche d'estimation de bruit consiste à relier la dynamique de la turbulence de l'écoulement au champ acoustique via des analogies aéroacoustiques. La prédiction de bruit par cette approche nécessite une connaissance rigoureuse des corrélations turbulentes afin d'identifier et représenter les sources aéroacoustiques par l'intermédiaire de grandeurs statistiques. Ce papier présente une étude expérimentale des sources aéroacoustiques dans un jet supersonique chaud (M = 2,8 et Ti = 1900K) à partir de la mesure des corrélations turbulentes par Vélocimétrie Laser Doppler à une composante en deux points. Les résultats montrent que le taux d'expansion de la couche de mélange augmente plus rapidement avec la distance à la sortie de la tuyère que dans un jet supersonique froid. Les structures turbulentes sont de plus grandes dimensions dans les couches de mélange. Les modèles analytiques des corrélations turbulentes d'ordre 2 sont enfin discutés.

The aim of this work is to adapt the thin film model with inertia forces for taking into account textured surfaces (hole pattern) in annular turbulent seal flows. A first analysis stemming from the numerical solution of Navier Stokes equations show that inertia forces induce new effects near the cavity : a drag effect due to the momentum exchange and an important turbulent shear stress inside the mixing layer at the top of the cavity. Simulations were validated by P.I.V. measurements performed on an original setup developed for the study. The new deduced friction laws were integrated in a code based on the thin film model equations. The rotor and the stator friction factors are calculated separately and include the variation of the film thickness. The drag effect is taken into account as a source term. Calculations show an improvement of the theoretical results for the direct stiffness, cross stiffness and direct damping coefficients, with an over evaluation for the last one., Le but de l'étude présentée est l'analyse d'un écoulement turbulent au sein d'un joint annulaire texturé. Le stator est usiné de centaines de trous cylindriques dont la profondeur peut atteindre 20 fois l'épaisseur du film. L'analyse de l'écoulement a été réalisée à l'aide de la résolution des équations complètes de Navier Stokes et d'une étude expérimentale complémentaire.Une première approche bidimensionnelle a permis la mise en évidence de l'apparition de deux phénomènes dus à la prise en compte des effets d'inerties : un effet de traînée provenant de la présence des cavités ainsi que l'existence d'un cisaillement fluide important au sein de la couche de mélange s'établissant au niveau de l'interface cavité-film mince. La validation des résultats numériques 2D a été réalisée avec succès grâce à la conception et la fabrication d'un banc d'essais original. Ce dispositif permet d'entreprendre des mesures PIV dans un écoulement de Couette en canal rainuré allant jusqu'à des régimes fortement turbulent (Re=10000). La modularité du montage a été prise en compte afin de pouvoir tester d'autres types de textures à l'avenir.La deuxième étape a été la résolution des équations de Reynolds dans un canal équivalent où la texture est remplacée par son effet à travers une modification des lois de frottement du rotor et du stator, ainsi que par la prise en compte de l'effet de traînée comme un terme source. Des simulations tridimensionnelles, basée sur une configuration réaliste, ont été effectuées afin d'extraire les données nécessaires pour la modification des modèles de calcul du film mince. Les grandes différences par rapport aux anciens modèles sont que les lois de frottements du rotor et su stator sont calculées séparément et que la variation de l'épaisseur du film est prise en compte.Les calculs montrent une amélioration des résultats pour les coefficients de raideur directe, de raideur croisée et d'amortissement direct, avec cependant une surestimation de ce dernier.

We consider the isothermal flow through a cylindrical flat chamber, a model of some particular exchanger, for which LVD measurements and numerical simulation has been performed. Turbulence model is a k-Ε one. Experimental measurements are compared to results of numerical computations with good agreement. Both show the existence of a secondary flow generated by hydrodynamical instabilities due to streamline curvature. With inlet laminar conditions, the main vortex flow appears to be restricted by this secondary flow the structure of which is supposed to oscillate beetween two and for vortices near peripherical wall. Shear thickening properties of CMC solutions tend to reduce this oscillations. With inlet turbulent conditions, a powerfull vortex flow appears. Its intensity reaches a limiting value for Reynolds numbers over 15000, the secondary flow extending all along the chamber radius, remaining Reynolds number dependant. This last observation leads to an expected significant increase of the fluid mixing. Study of thickness variation (h) leads to the definition of a new parameter based on Dean number to enclosed streamline curvature effect. Results issued from simulation appear to be in acceptable agreement with experimental data and lead to a better understanding of secondary flow dynamic. A first study of numericals streamlines show a strong dependence of them upon z position. Distribution of time residence probability show only one evolution for all flows conditions., L'étude du champ dynamique dans une cellule d'échangeur à vortex, en situation isotherme, est menée à la fois sur un plan expérimental et numérique. L'expérimentation, portant sur des fluides newtoniens et non newtoniens, permet d'accéder aux composantes radiale et tangentielle de la vitesse par anémométrie laser. La simulation numérique est effectuée à l'aide d'un schéma aux volumes finis. La turbulence est modélisée par un modèle statistique k-Ε classique. Les résultats numériques et expérimentaux obtenus sont en bon accord et mettent en évidence l'existence d'un écoulement secondaire généré par les instabilités hydrodynamiques liées à la courbure des lignes de courant. Pour des régimes d'entrée laminaires, l'action conjuguée des forces centrifuges et visqueuses donne naissance à une structure de l'écoulement secondaire instationnaire proche de la périphérie de la partie cylindrique de la géométrie, limitant l'intensité de l'écoulement central à vortex. L'effet rhéofluidifiant des solutions de CMC stabilise ces structures et permet d'accélérer l'établissement d'un écoulement à vortex. Pour des conditions d'entrée turbulentes, les mesures et la simulation mettent en évidence l'existence d'un puissant écoulement principal à vortex dont l'intensité tend vers une limite pour des nombres de Reynolds supérieurs à 15000. Cet écoulement principal est couplé à un écoulement secondaire qui s'étend sur la totalité du rayon de l'échangeur et augmente ainsi le taux de mélange du fluide à traiter. L'influence de la variation de l'épaisseur de l'échangeur permet de définir un nouveau paramètre adimensionnel tenant compte de la courbure des lignes de courant et basé sur un nombre de Dean. Le modèle k- utilisé, qui donne des résultats proches de ceux expérimentaux, permet d'obtenir une meilleure compréhension de la dynamique, notamment de l'écoulement secondaire. Une première étude des trajectoires des particules fluides obtenues par simulation montre de fortes variations de celles-ci en fonction de leur position suivant l'épaisseur à l'entrée. La distribution des probabilités des temps de séjours numériques donne une courbe maîtresse pour toutes les conditions d'écoulement.

This work is devoted to the experimental study, the modelling and the numerical simulation of the hydrodynamics of a bubble column and an external loop airlift reactor. It includes three parts. First, measuring techniques have been developed to study the local and global hydrodynamic parameters of the bubbly flow. In this section, several treatments of the fluctuating wall pressure signal have been developed to identify the prevailing flow regime; three measuring techniques have been adapted to bubbly flows in order to measure the local velocity of the continuous phase: the "Pavlov" tube, an electrochemical method and Laser Doppler Velocimetry. These techniques have completed the methods already available to study the dynamics of the gas phase: local optical probes and an ultrasound Doppler technique. Then, this set of measuring techniques has been used to characterise the hydrodynamics in both reactors. Regime transitions have been deterrnined. The local and global parameters which have been measured are: the gas hold-up; the velocity, the size and the morphology of the bubbles; the liquid velocity and its local fluctuations. The Reynolds shear stress, which could not be measured, has been estimated using a simple model. The evolution of these parameters has been related to the gas flow rate, the gas distribution and the hydrodynamic regime. The whole experimental data are finally compared to the predicted values obtained using a commercial CFD code. Several models of drag, additional forces and turbulence have been used to obtain the best agreement between calculations and experiments. The ability of this commercial code to predict correctly the flow and its current limits have been highlighted., Ce travail est consacré à l'étude expérimentale, la modélisation et la simulation numérique d'une colonne à bulles et d'un réacteur à gazosiphon à recirculation externe. Il comporte trois parties. Dans un premier temps, nous avons mis au point la métrologie nécessaire à la mesure de paramètres hydrodynamiques globaux et locaux dans les écoulements à bulles. Dans cette partie, des méthodes de traitement des fluctuations du signal de pression en paroi ont été développées pour l'identification du régime d'écoulement, et trois techniques de mesures ont été adaptées aux écoulements à bulles pour mesurer la vitesse locale de la phase continue : le tube de «Pavlov», une méthode électrochimique et la vélocimétrie laser Doppler. Ces méthodes ont complété les techniques déjà disponibles pour étudier la dynamique de la phase gaz : sondes optiques locales et sonde Doppler à réflexion d'ultrasons. Cet ensemble de méthodes de mesure nous a ensuite permis de caractériser l'hydrodynamique des deux réacteurs. Les transitions de régime ont été déterminées. Les paramètres mesurés, aussi bien à l'échelle locale qu'à l'échelle du réacteur, sont: le taux de vide, la vitesse, la taille et la morphologie des bulles, ainsi que la vitesse du liquide et ses fluctuations locales. La contrainte tangentielle de frottement, qui ne pouvait être mesurée, a été estimée à partir d'un modèle simple. Finalement, l'évolution de tous ces paramètres a été analysée en fonction du débit de gaz, de son mode de distribution et du régime d'écoulement. Enfin, l'ensemble des données expérimentales obtenues aux échelles locales et globales sur les deux réacteurs a été comparé aux résultats fournis par un logiciel commercial de CFD. Différentes formulations de la traînée, des forces additionnelles et de la turbulence ont été utilisées pour obtenir le meilleur accord possible entre calculs et expériences. La capacité de ce code commercial à prédire correctement l'écoulement ainsi que ses limitations actuelles ont été étudiées.

Not available, On étudie le mélange en cuve agitée par une approche mécanique des fluides. L’écoulement engendré est complexe, tridimensionnel, instationnaire, instable et la turbulence est inhomogène et anisotrope. Ce type d'écoulement nécessite un maillage de mesure fin et l'accès aux trois composantes de la vitesse. Un banc automatisé de vélocimétrie à laser bidimensionnelle rend praticable l'acquisition et le traitement de cette information dont on déduit une cartographie détaillée des champs moyens 3D et des quantités turbulentes. Un premier type d'analyse de ces données, conduit à la connaissance des grandeurs telles que : le tenseur de Reynolds, le taux de dissipation d'énergie, etc., qui notamment au voisinage de la turbine, constituent des conditions aux limites pour les codes de calcul, des paramètres globaux utiles au contrôle du mélange (temps caractéristiques, coefficients de débit et de puissance, etc.). L’autre approche concerne l'analyse de la dynamique de l'écoulement, avec pour projet de réduire cette dynamique très complexe à des modèles plus simples. Dans cette perspective le jet de la turbine est décrit comme une structure autonome ; des phénomènes de déstabilisation sont mis en évidence. Enfin la partie fluctuante de la vitesse dans le jet est décomposée en une partie aléatoire et une partie déterministe à un petit nombre de degrés de liberté