Simulation of Fluid Dynamics Monitoring Using Ultrasonic Measurements

International audienceThe simulation of the propagation of ultrasonic waves in a moving fluid will improve theefficiency of the ultrasonic flow monitoring and that of the in-service monitoring for various reactorsin several industries. The most recent simulations are mostly limited to 3D representations of theinsonified volume but without really considering the temporal aspect of the flow. The advent of highperformancecomputing (HPC) now makes it possible to propose the first 4D simulations, with therepresentation of the inspected medium evolving over time. This work is based on a highly accuratedouble simulation. A first computational fluid dynamics (CFD) simulation, performed in previouswork, described the fluid medium resulting from the mixing of hot jets in a cold opaque fluid. Therehave been many sensor developments over the years in this domain, as ultrasounds are the onlymethod able to give information in an opaque medium. The correct design of these sensors, as wellas the precise and confident analysis of their measurements, will progress with the development ofthe modeling of wave propagation in such a medium. An important parameter to consider is theflow temperature description, as a temperature gradient in the medium deflects the wave path andmay sometimes cause its division. We develop a 4D wave propagation simulation in a very realistic,temporally fluctuating medium. A high-performance simulation is proposed in this work to includean ultrasonic source within the medium and to calculate the wave propagation between a transmitterand a receiver. The analysis of the wave variations shows that this through-transmission setup cantrack the jet mixing time variations. The steps needed to achieve these results are described using thespectral-element-based numerical tool SPECFEM3D. It is shown that the low-frequency fluctuationof the liquid metal flow can be observed using ultrasonic measurements

Investigation of ultrasonic backward energy from various edges as a function of their 2D/3D geometry and of the incidence angle, for application to ultrasonic thermometry at the outlet of a tube

International audienceInnovative ultrasonic instrumentation to be used for future Generation IV sodium-cooled fast reactors is currently being investigated. One potential option under study here is the monitoring of the sodium temperature at the outlet of the core by using ultrasound. The main advantage of ultrasonic setups is that they can be used far from the intended subassemblies. The idea is to send an ultrasonic beam at grazing incidence towards the (cylindrical) subassembly head, and to measure the ultrasonic time of flight between the two diametrically opposite edges, in order to estimate the mean temperature across the subassembly outlet diameter. Moreover, the grazing incidence could allow considering the simultaneous temperature monitoring of several aligned subassemblies. One of the main points to be considered is the interaction between the ultrasonic beam and the immersed target, which involves specular reflection and/or diffraction, both phenomena depending on the incidence angle and the target geometry. The present paper investigates this interaction, mainly from an experimental point of view. Different geometries of " 2D " (plate) and " 3D " (tube) edges are tested and compared under various incidence angles. The final aim is to identify an optimal ultrasonic configuration to perform thermometry at the outlet of an immersed tube

Evaluation des performances de capteurs commerciaux de concentrations en ammoniac en poulailler

National audienceSensors are widely used to control poultry environment on farm (such as temperature, humidity and carbon dioxide). Precise control of the environment is a major challenge in poultry farming to guarantee the multiperformance of breeding (economic, environmental, animal and human welfare and health). Ammonia sensors are rarely used on poultry farms because they are mainly based on electrochemical technology and have a short lifetime (3 to 6 months). The aim of this study is to evaluate 4 technological solutions of ammonia sensors, marketed for a use in poultry farming, and quantify their performances (accuracy and response time) in semi-commercial broiler farm. A ProCeas® analyser, using FTIR spectroscopy technology, was used as a reference for calculating accuracy and studying response time. The calculated sensitivities of the sensors tested ranged from 0.7 ± 0.7 to 7.6 ± 5.4 ppm and response times were all under 1 minute. Analysis of the sensitivity and response time of each sensor showed that one of the 4 tested was not suitable for use in poultry barn, due to its lack of accuracy and the presence of outliers. The differences in performance observed suggest that the sensors on the market can be improved for continuous measurement in poultry houses. Technological development work on ammonia measurement must continue in order to improve the performance of the existing sensors.Les capteurs sont très largement utilisés pour le pilotage de l’ambiance en élevage avicole (température, hygrométrie et dioxyde de carbone). Piloter finement l’ambiance est un enjeu majeur en élevage de volailles pour garantir la multi-performance de l’élevage (économique, environnementale, bien-être et santé des animaux et des intervenants en élevage). Les capteurs d’ammoniac sont peu utilisés en élevage car ils sont majoritairement de technologie électrochimique et ont une durée de vie courte (3 à 6 mois). L’objectif de cette étude est d’évaluer 4 solutions technologiques de capteurs ammoniac, commercialisées pour un usage en élevage avicole, et quantifier leurs performances (précision et temps de réponse) en élevage semi-commercial de poulets de chair. Un analyseur PRroCeas®, de technologie spectroscopie FTIR, a été utilisé comme référence pour le calcul des précisions et l’étude du temps de réponse. Les précisions calculées des capteurs testés variaient entre 0.7 ± 0.7 et 7.6 ± 5.4 ppm et les temps de réponse étaient tous inférieurs à 1 minute. L'analyse de la sensibilité et du temps de réponse de chaque capteur a montré qu’un capteur sur les 4 testés n'était pas approprié pour une utilisation en poulailler, de par son manque de précision et la présence de valeurs aberrantes. Les différences de performance observées suggèrent que les capteurs commercialisés sont perfectibles pour des mesures en continu en poulailler. Les travaux de développement technologique sur la mesure de l’ammoniac doivent se poursuivre pour améliorer les performances des capteurs existants

Acoustic techniques for SFR continuous monitoring - Illustration with the continuous characterisation of a bubble cloud

International audienceFeedback on the operation of French sodium fast reactors (SFR) revealed the necessity to improve continuous monitoring, particularly in terms of the primary system instrumentation. Among others, research and development is performed in order to characterise the continuous presence of microbubbles in the primary liquid sodium.A water-air bench has been experimented as the first step of the industrial development of acoustical techniques. The generated bubble cloud characteristics are very similar to the reactor case (bubble radiuses and void fractions).Non-linear acoustic methods have been investigated to determine the histogram of bubble radiuses. Our work involved using the non-linear data resulting from the mixing of two frequencies. Sweeping at low frequency makes it possible to determine the non-linear resonance of the bubbles present. Then the non-linear mixing with a high-imagery frequency is used to build the bubble radius histograms. In addition to this method, measurement of the low-frequency acoustic velocity using a Helmholtz resonator is proposed to determine the void fraction. Future industrial prospects for this work look promisin

STUDY OF ULTRASONIC PROPAGATION THROUGH VORTICES FOR ACOUSTIC MONITORING OF HIGH-TEMPERATURE AND TURBULENT FLUID

International audienceUltrasonic monitoring in high temperature fluids with turbulences requires the knowledge of wave propagation in such media and the development of simulation tools. Applications could be the monitoring of sodium-cooled fast reactors. The objectives are mainly acoustic telemetry and thermometry, which involve the propagation of ultrasounds in turbulent and heated sodium flows. We developed a ray-tracing model to simulate the wave propagation and to determine wave deviations and delays due to an inhomogeneous medium. In previous work we demonstrated the sensitivity of ultrasounds to temperature gradients in liquid sodium. To complete that study, we need to investigate the sensitivity of ultrasounds to vortices created in a moving fluid. We designed a specific experimental setup called IKHAR (Instabilities of Kelvin-Helmholtz for Acoustic Research) in order to assess the validity of the ray-tracing model and the potential of ultrasounds for monitoring such fluid. In this experiment, Von Karman instabilities were created in a flow of water. Fluid temperature was homogeneous in our experimental setup. Through a careful choice of the parameters, periodic vortices were generated. The experiment was also simulated using Comsol ® to allow discussion about repeatability. The throughtransmission method was used to measure wave delays due to the vortices. Arrays of transducers were used to measure time of flight variations of several nanoseconds with a high spatial resolution. Results were similar to simulation results. They demonstrate that beam delays due to vortices can be measured and confirm the potential of ultrasounds in monitoring very inhomogeneous fluid media such as liquid sodium used as coolant fluid in nuclear fast reactors

Caractérisation Ultrasonore de Fissures dans les Bétons Méthodes Linéaires et Non Linéaires

National audienceLa caractérisation non destructive des bétons est un enjeu important pour l'évaluation de la durée de vie des structures actuelles et futures du génie civil. Les modes critiques de dégradations des structures passent souvent par la macro-fissuration des bétons, dont la présence de fissures débouchant en surface. Il s'agit alors de détecter, identifier et caractériser ces fissures dans les meilleurs délais. Les méthodes ultrasonores peuvent répondre à la fois au besoin de caractérisation de celles-ci ainsi qu'à leur suivi rapide et pratique sur site. Seulement, si ces méthodes présentent un fort potentiel, elles restent limitées par des difficultés liées à la maîtrise de la génération des ondes et de l'extraction des paramètres d'intérêts contenus dans les signaux obtenus. Les perturbations proviennent essentiellement de l'hétérogénéité du matériau. Cette complexité du milieu implique des phénomènes de diffusion des ondes ainsi qu'un comportement mécanique non linéaire du béton. Les bases théoriques de la propagation et les méthodes utilisées sont présentées. L'interaction ondes fissures sera développée. Une étude expérimentale de propagation d'onde de surface interagissant avec des fissures de profondeur variable sera présentée. L'évolution des paramètres linéaires et non linéaires vis-à-vis de ces paramètres est montrée. La sensibilité des ultrasons est mise en évidence et en particulier le paramètre non linéaire hystérétique &_alpha;. Les résultats expérimentaux montrent ainsi le potentiel d'une voie d'auscultation in situ par onde de surface à développer afin de parvenir à des solutions industrielles robustes

Simulation numérique de la mesure de température par méthode ultrasonore dans un milieu représentatif du coeur de RNR Na

La loi française sur la gestion durable des déchets et matières radioactives est à l’origine d’étude concernant les réacteur nucléaires de nouvelle génération basé sur la technologie sodium. Les difficultés liées à l’expérimentation en sodium encouragent le développement d’outils numériques pour les études autour de cette technologie. En particulier, le développement des techniques numériques ouvre des perspectives intéressantes pour l’étude des méthodes d’instrumentation et de monitoring (SHM) basées sur l’acoustique. L’objectif du travail présenté est de réaliser une modélisation de la propagation acoustique dans le milieu sodium liquide dans des conditions similaires à celles présentes dans un réacteur à neutrons rapides à caloporteur sodium. Pour cela, nous étudions les aspects numériques liés à l’utilisation du code de simulation SPECFEM, initialement dédié à la propagation des ondes sismiques dans des configurations quelconques 1D, 2D ou 3D. Dans notre cas d’étude, les échelles de résolution sont très différentes de celles utilisées pour les ondes sismiques. Les données utilisées pour ce travail sont issues d’essais simulant les caractéristiques thermo-hydrauliques de la sortie de cœur de RNR Na. Le comportement des ondes sonores dans les métaux liquides est étudié depuis les années 1970. Le cas du sodium a par exemple été traité en 1971 par Leibowitz, Chasanov et Blomquist qui ont établi une relation entre célérité acoustique et température. La mesure du temps de vol d’une onde ultrasonore, en supposant la géométrie du domaine connue, permet de remonter à la température du milieu et de surveiller ainsi le fonctionnement nominal d’un réacteur. Après une validation de l’échelle de l’étude et du choix de maillage adéquat, nous montrons qu’il est possible numériquement d’étudier l’influence de la prise en compte des gradients de température présents dans le milieu étudié avec SPECFEM. En conclusion nous discutons sur l’écart de température minimum théoriquement détectable. Nous élargissons la discussion aux facteurs qui réduiraient cette valeur théorique et aux pistes qui sont envisagées pour réduire ces facteurs ou pour les prendre en compte dans les développements futurs

Positive Effects of Elevated Platforms and Straw Bales on the Welfare of Fast-Growing Broiler Chickens Reared at Two Different Stocking Densities

In conventional rearing systems, fast-growing broiler chickens commonly experience welfare issues, such as contact dermatitis, walking difficulties or a lack of expression of species-specific behaviours. Enriching their environment may be a way to improve their welfare. The objective of this study was to evaluate the benefits of elevated platforms and straw bales on the welfare of fast-growing broiler chickens reared at two different stocking densities. A total of 14,994 Ross 308 broilers were housed in 12 pens according to 4 treatments: 31 kg/m2 with or without enrichments and 41 kg/m2 with or without enrichments. The broilers’ walking ability, footpad dermatitis (FPD), hock burns (HB), weight, mortality and litter quality were assessed. Stocking density had a negative effect on FPD and HB, whereas enrichments reduced the occurrence of FPD and HB at both densities. There was a positive enrichment effect and a negative density effect on body weight at 25 days and on walking ability, but no effect on the litter quality or mortality rate. These results confirm that an enriched environment improves animal welfare in confined chickens, regardless of the stocking density. Reducing stocking density clearly appears to be an important means of increasing animal welfare

Partie 4. Travailler avec les oiseaux

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Effet de la souche et de la densité sur le comportement et la santé du poulet de chair élevé en lumière naturelle avec des enrichissements

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