Solutions Analytiques de l'Onde de Rupture de Barrage sur Plan Horizontal et Incline

Dam break waves have been responsible for numerous losses and tragedies. The present work is focused on simple solutions of the dam break wave problem using the Saint-Venant equations Theoretical solutions are developed for instantaneous dam break of semi-infinite reservoir in initially-dry channels. Both laminar and turbulent flow conditions are considered. Solutions for horizontal inverts are compared successfully with previous experimental results, and they are then extended to sloping channels. The results yield a series of simple analytical solutions that are well-suited for educational purposes as well as for emergency services

Construction et analyse des signaux non-stationnaires adaptés à la caractérisation des phénomènes turbulents

National audienceDans ce papier nous proposons une approche hybride signal-physique pour la détection de la présence de la turbulence dans un fluide. L'idée est de construire une forme d'onde capable de porter, de manière robuste, l'information sur la turbulence et de mettre en place le traitement qui permettra l'extraction des paramètres liés à ce phénomène. Il est donc nécessaire de réaliser une correspondance entre les grandeurs qui caractérisent les écoulements turbulents et les signaux acoustiques. Nous allons montrer que l'utilisation des signaux avec une loi de fréquence instantanée polynomiale est potentiellement porteuse de l'information de turbulence que nous pouvons extraire à partir de l'estimation de la déformation de cette loi

Influence des paramètres d'injection de poudres sur le traitement thermique des particules

International audienceEn projection plasma, la dispersion, en taille et en vitesse des particules à la sortie de l'injecteur, détermine les trajectoires des particules dans le jet plasma, et donne leurs histoires dynamiques et thermiques (vitesses, état de fusion, taux de vaporisation ...) qui sont des paramètres déterminants de la qualité de l'impact et du dépôt. Dans ce qui suit on décrit un modèle qui caractérise cette dispersion et qui tient compte de la distribution granulométrique de la poudre, des collisions inter-particulaires et des collisions avec les parois, il permet d'obtenir la distribution en vitesse et en taille des particules en sortie de l'injecteur

Analyse numérique de la convection forcée turbulente dans les tubes munis des chicanes transversales

International audienceOn présente une étude numérique du comportement dynamique et thermique d'un écoulement d'air turbulent dans un canal horizontal de section rectangulaire muni des chicanes transversales. Les équations gouvernantes, basées sur le modèle k-ε, sont résolues par la méthode des volumes finis à l'aide de l'algorithme SIMPLE. Les profils de vitesse axiale et les champs de vitesse et de température ainsi que la distribution du nombre de Nusselt sont présentés pour un cas d'exemple type

Convection thermique turbulente : étude Lagrangienne expérimentale

Nous présentons ici des résultats préliminaires obtenus dans une cellule de convection de Rayleigh-Bénard où un écoulement turbulent est mis en place à l'aide d'une différence de température verticale imposée à une couche d'eau. Nous suivons en trois dimensions des particules dont le diamètre est de l'ordre de la longueur de Kolmogorov à l'aide de deux caméras par Particle Tracking Velocimetry (PTV). Les premiers résultats sur la vitesse montrent bien l'anisotropie et l'inhomogénéité de l'écoulement. Pour autant, pour une des composantes de la vitesse, on retrouve une distribution gaussienne telle qu'attendue dans un écoulement turbulent

Modélisation de l'injection pariétale de particules dans un écoulement turbulent

Le mémoire intitulé Modélisation de l’injection pariétale de particules dans un écoulement tur­bulent fait état de l’étude du mouvement de particules liquides dans un écoulement d’air en turbulence par le biais de modèles mathématiques résolus numériquement. Les résultats ainsi obtenus sont ensuite comparés avec succès avec des données expérimentales. Le domaine géométrique de l’étude de cet écoulement biphasique est une soufflerie horizontale de section octogonale. L’originalité de ce projet réside dans la résolution mathématique du problème, qui évite toute résolution des équations de Navier-Stokes. De plus, cette étude met l’emphase sur l’impact de la turbulence sur la trajectoire des particules liquides ainsi que sur l’étendue de leur dispersion. Ce mémoire est composé de 4 chapitres. Le premier prend soin d’indiquer au lecteur les méthodes de résolutions alternatives au problème posé. Puis, les modèles mathématiques et codes commerciaux employés par l’auteur lors de la résolution sont énoncés dans le second chapitre. Le chapitre 3 fait état des étapes de validation de l’étude et présente les résultats obtenus tout en les comparant avec ceux d’une étude expérimentale. Finalement, le dernier chapitre se veut la conclusion de l’étude et présente les travaux futurs. L’étude démontre que la dispersion de particules liquides dans un écoulement turbulent est fortement influencée par leur passage dans la couche limite. Ainsi, la dispersion calculée par le modèle ici développé est légèrement inférieure à celle calculée par le logiciel commercial FLUENT, car ce dernier génère des valeurs de turbulence très élevée dans la couche limite. Finalement, la comparaison avec des résultats expérimentaux a démontré que l’allure de la courbe de la dispersion des particules en fonction du temps est semblable à celle calculée numériquement

Modélisation à l'échelle macroscopique d'un écoulement turbulent au sein d'un milieu poreux

Ce travail porte sur la modélisation à l'échelle macroscopique de la turbulence dans des milieux poreux. Cette problématique touche aussi bien le domaine des échangeurs de chaleur, des réacteurs nucléaires, ou celui des écoulements urbains, etc. Nous nous fixons pour objectif de ne décrire que de façon homogénéisée, en appliquant un opérateur de moyenne spatiale, des écoulements turbulents traversant une structure solide. Outre ce premier opérateur, l'utilisation de la moyenne statistique permet de s'affranchir du caractère pseudo-aléatoire de la turbulence. Ainsi, l'application successive de ces deux opérateurs de moyenne permet d'établir les équations bilan décrivant les écoulements considérés. Elle fait par ailleurs émerger deux problématiques majeures, à savoir la modélisation des effets de dispersion dûs à la présence de la structure solide et la modélisation de la turbulence à l'échelle macroscopique (contraintes de Reynolds et dispersion turbulente). Dans ce but, nous nous appuyons notamment sur la modélisation à l'échelle locale de la turbulence et plus précisément sur les modèles RANS de type k-e. La méthodologie d'étude de la dispersion engendrée par la présence de la structure solide, obtenue dans le cadre de la «méthode de prise de moyenne spatiale», est généralisée aux écoulements turbulents. Son application inclut la simulation à l'échelle locale des écoulements turbulents dans un motif élémentaire de la structure solide. Appliquée aux écoulements en canaux, cette analyse montre que, même en présence de turbulence, la dispersion reste l'un des phénomènes dominants dans le contexte de la modélisation des écoulements à l'échelle macroscopique. Une analyse selon deux échelles spatiales de l'écoulement nous a permis de comprendre le rôle prépondérant de la force de traînée dans les transferts d'énergie cinétiques inter-échelles. Les transferts s'opérant entre l'écoulement moyen et l'écoulement turbulent sont eux aussi formellement dérivés. Cette description multiéchelle permet de mieux appréhender la modélisation macroscopique de la turbulence et nous conduit à introduire les notions de production de sous-filtre et de dissipation de sillage. Un modèle de type f - f - f est alors établi : il est composé de trois équations bilan pour l'énergie cinétique turbulente, la dissipation visqueuse de la turbulence et la dissipation de sillage. De plus, un prédicteur dynamique pour le coefficient de frottement est proposé. Ce modèle a ensuite été appliqué avec succès à l'étude d'écoulements turbulents en canaux. ABSTRACT : This work deals with the macroscopic modeling of turbulence in porous media. It concerns heat exchangers, nuclear reactors as well as urban flows, etc. The objective of this study is to describe in an homogeneized way, by the mean of a spatial average operator, turbulent flows in a solid matrix. In addition to this first operator, the use of a statistical average operator permits to handle the pseudo-aleatory character of turbulence. The successive application of both operators allows us to derive the balance equations of the kind of flows under study. Two major issues are then hightlighted, the modeling of dispersion induced by the solid matrix and the turbulence modeling at a macroscopic scale (Reynolds tensor and turbulent dispersion). To this aim, we lean on the local modeling of turbulence and more precisely on the k-e RANS models. The methodology of dispersion study, derived thanks to the volume averaging theory, is extended to turbulent flows. Its application includes the simulation, at a microscopic scale, of turbulent flows within a representative elementary volume of the porous media. Applied to channel flows, this analysis shows that even within the turbulent regime, dispersion remains one of the dominating phenomena within the macroscale modeling framework. A two-scale analysis of the flow allows us to understand the dominating role of the drag force in the kinetic energy transfers between scales.Transfers between the mean part and the turbulent part of the flow are formally derived. This description significantly improves our understanding of the issue of macroscopic modeling of turbulence and leads us to define the sub-filter production and the wake dissipation. A f - f - f model is derived. It is based on three balance equations for the turbulent kinetic energy, the viscous dissipation and the wake dissipation. Furthermore, a dynamical predicator for the friction coefficient is proposed. This model is then successfully applied to the study of turbulent channel flows

Evolution longitudinale des moments d’ordre deux dans un écoulement turbulent plan pleinement développé soumis à un soufflage pariétal et local

Cet article présente les résultats obtenus à partir d’une étude expérimentale concernant les effets du soufflage pariétal et local sur les statistiques d’ordre deux d’un écoulement turbulent pleinement développé dans un canal bidimensionnel. Le nombre de Reynolds relatif à la demi hauteur du canal est de l’ordre de 5000. La vitesse de soufflage normale à la paroi ne dépasse pas les 5% de la vitesse longitudinale sur l’axe du canal

Eléments de dimensionnement d'un échangeur air/sol, dit « puits canadien »

L'utilisation d'un échangeur air/sol, système appelé communément « puits canadien » en France et parfois « puits provençal » lorsqu'il sert à rafraîchir l'habitation, connaît un développement important depuis quelques années. Il consiste à utiliser comme entrée pour la ventilation de la maison, de l'air qui a préalablement circulé dans un tube enterré à une certaine profondeur. La température du sous-sol étant moins variable que celle de l'air extérieur cela permet d'avoir une entrée d'air plus tempérée. En hiver, l'air est réchauffé avant de pénétrer dans la maison ; en été il est rafraîchit. Il s'agit ainsi du système de géothermie le plus simple qui soit, avec une consommation électrique réduite à la celle du ventilateur utilisée pour la circulation de l'air. Ce système est utilisé traditionnellement en Amérique du nord pour maintenir les habitations hors gel sans chauffage pendant l'hiver pourtant très rigoureux (à noter que le terme de « puits canadien » n'est pas employé au Canada). Ce système permet de compenser de manière notable la perte de chaleur induite par les débits de ventilation imposés par la réglementation française actuelle. En été, il permet d'abaisser la température maximale de quelques degrés. Le système doit être désactivé pendant les intersaisons afin de ne pas refroidir la maison alors que l'on recherche la chaleur. L'entrée d'air est alors directement prise sur l'extérieur sans passer par le puits canadien. Le dimensionnement d'un puits canadien est assez délicat du fait du nombre de paramètres à optimiser : longueur, diamètre et nombre de tubes, profondeur d'enfouissement, distance entre les tubes, débit de ventilation. La notice de dimensionnement présentée ici a pour but de proposer des critères objectifs pour le choix de ces différentes caractéristiques. Ce travail est basé sur des simulations numériques d'échange thermique par convection forcée dans un tube enterré. Ceci permet de mettre en évidence l'effet du diamètre, de la longueur, du débit volumétrique de la différence de température entre le sol et l'air entrant sur le flux thermique fourni par le puits canadien. Dans un second temps, nous présentons des simulations de flux annuel en fonction de la profondeur d'enfouissement de la gaine. Ceci permet de mettre en évidence les périodes d'apport de chaleur et/ou de fraîcheur au cours de l'année et la nécessité de coupure aux intersaisons. Enfin nous donnons quelques éléments pour le calcul des pertes charge aérauliques

Vérification de code pour le modèle k-ϵ standard de OpenFOAM

RÉSUMÉ Dans un contexte industriel toujours plus compétitif, les industries sont constamment comparées les unes aux autres. Elles ont donc intérêt à se moderniser et investir dans des outils de pointe afin d’améliorer la qualité de leur procédé et de diminuer leurs coûts d’opération. Les outils de CFD répondent précisément à ce besoin, ce qui explique la demande grandissante pour ces outils dans l’industrie. Toutefois, la crédibilité des résultats obtenus reste un obstacle majeur pour l’application plus répandue des outils de CFD. Nous avons donc comme but de contribuer à la crédibilité des résultats en confirmant que les méthodes numériques, telles qu’implémentées dans le code, se comportent conformément à la théorie. Dans le cadre de ce travail, nous avons choisi d’employer le code OpenFOAM, un logiciel à code source libre fréquemment employé dans l’industrie. Il offre une impressionnante collection d’outils entièrement gratuits, répondant en grande partie aux besoins industriels actuels. Cependant, ce logiciel est nettement plus complexe à employer qu’un logiciel de CFD commercial. De plus, on retrouve peu d’informations détaillant la vérification rigoureuse du code. Il nous semble donc approprié de porter plus d’attention à la vérification du code OpenFOAM pour les multiples solveurs, modèles et conditions limites disponibles. Dans ce mémoire nous effectuerons la vérification du code OpenFOAM pour un écoulement turbulent et incompressible. En effet, ce type d’écoulement est représentatif de la majorité des situations rencontrées dans un contexte industriel. On modélise la turbulence avec le modèle k-ϵ standard à cause de sa simplicité d’utilisation et son faible coût de calcul. Ce modèle est un compromis intéressant pour sa précision et son coût de calcul. Nous commencerons par vérifier le code pour un écoulement très simple, soit celui de Poiseuille. Nous appliquerons ensuite la méthode de solutions manufacturées imitant un écoulement laminaire 1D de type couche limite, un écoulement libre 2D laminaire, un écoulement libre 2D turbulent, et finalement un écoulement de type couche cisaillée. Afin de mieux comprendre les écarts entre le taux de convergence théorique et le taux de convergence observé, nous poursuivrons la vérification en y ajoutant l’étape de vérification de simulation à l’aide de l’extrapolation de Richardson. Ces cas nous permettront de confirmer si le taux de convergence théorique des schémas numériques est respecté ou non.----------ABSTRACT In an ever more competitive industrial context, factories are regularly compared with each other. Hence, they have every reason to modernize themselves and invest in state-of-the-art tools to improve the quality of their process and reduce their operating costs. CFD tools are tailored for this need. This explains the growing demand for such services in this industry. However, the credibility of predictions remains a major obstacle of a more widespread use of CFD tools. We therefore aim to contribute to the credibility of the results by confirming that numerical methods, as implemented in the code, behave as predicted by theory. As part of this work, we chose to use the OpenFOAM code, an open-source software widely used in the industry. It offers an impressive collection of tools that meets most of the industry’s needs. However, this software is significantly more complex to use than commercial CFD software. Also, there is little information detailing the rigorous verification of its code. Therefore, it seems appropriate for us to pay more attention to the verification of OpenFOAM’s code for the numerous solvers, models and boundary conditions that are available. In this thesis we will perform code verification of a turbulent incompressible flow solver. This flow is quite representative of most flows encountered in the industry. We use the standard k-ϵ model since it is easy to use and for its cheap computational cost. These two qualities make this model the ideal compromise between accuracy and computational costs. We will start by verifying the code for a very simple Poiseuille flow. We will then apply the method of manufactured solutions to mimic a boundary layer 1D laminar flow, a laminar 2D free flow, a turbulent 2D free flow, and then finally a sheared layered flow. In order to better understand the disagreements between the theoretical and observed convergence rates, we will add a step of verification of simulations to this study, using Richardson’s extrapolation. These cases will allow us to confirm whether the theoretical convergence rate of the numerical schemes is achieved or not