Convection naturelle dans une cavité confinée: une modélisation 2D ½

Le sujet de thèse porte sur les effets de la convection naturelle et forcée sur le changement de phase solide-liquide. Un intérêt est porté aux métaux purs et aux alliages métalliques. Ce travail s'effectue dans le cadre d'une cotutelle internationale de thèse entre l'Université des Sciences et de la Technologie Houari Boumediene (USTHB) d'Alger et l'Institut National des Sciences Appliquées Lyon (INSA Lyon). A Lyon, le Laboratoire de Mécanique des Fluides et d'Acoustique, et à Alger, le Laboratoire de Thermodynamique et Systèmes Énergétiques (LTSE), accueillent le doctorant en alternance. Le salaire du doctorant est financé par à une bourse ministérielle algérienne, et ses séjours en France par une bourse d'excellence cofinancée par les gouvernements français et algérien dans le cadre du programme ?Profas B+'. Ces travaux sont codirigés par le Pr. V. Botton, et le Dr. S.Millet, pour l'Université de Lyon et par le Pr. A. Benzaoui, et le Dr R .Boussaa pour l'USTHB d'Alger. Cette collaboration permet d'assoir les projets de coopération entre les équipes de recherche des deux laboratoires partenaires, par ailleurs soutenus par un projet PHC Maghreb (Algérie, France, Maroc et Tunisie). Le but de l'étude est de réaliser un modèle numérique efficace d'une expérience de solidification dirigée dans une géométrie élancée. L'objectif est de permettre une résolution à la fois précise et rapide de sorte qu'une étude paramétrique soit possible, par exemple dans le cadre de méthodes d'optimisation. Dans notre cas, nous considérons le montage expérimental ?AFRODITE' mis en ?uvre au laboratoire EPM-SIMaP (à Grenoble) [1]. Le creuset est une cavité parallélépipédique de 10 cm de longueur, 6 cm de hauteur et d'une épaisseur de 1 cm. Le gradient de température imposé est horizontal et la direction de solidification est suivant la longueur. Il a été précédemment constaté que les modèles numériques purement 2D (considérant une cavité 10 cm * 6cm) peinaient à reproduire la réalité physique du processus de solidification notamment l'avancée et la forme de l'interface solide/liquide tout en prédisaient des niveaux de convection et d'instationnarité trop élevés. Nous attribuons cela au confinement latéral (faible valeur de l'épaisseur) par les deux grandes parois verticales le délimitant : l'écoulement de la phase liquide est fortement ralenti par l'adhérence à celles-ci. Les modèles 3D pallient ce manque, mais restent coûteux en temps et/ou en moyens de calcul [2]. Un modèle 2D modifié dit 2D ½ a été proposé [3]. Celui-ci est basé sur une approche intégrale suivant la direction transverse (celle de la petite dimension). Il est obtenu en supposant une température invariante sur cette direction, ce qui est vraisemblable pour les métaux liquides, à faible nombre de Prandtl, et en choisissant une forme de profil transverse de vitesse présentant un c?ur uniforme et deux couches limites près des parois. Ce modèle présente à la fois l'avantage de prendre en compte au premier ordre la dissipation de l'énergie mécanique due aux parois latérales et dans une formalisation mathématique 2D. Deux modèles 2D ½ sont repris. On compare les résultats obtenus par les différents modèles 2D, 2D ½ et 3D. On montre que pour les faibles nombres de Prandtl, et ce pour différents nombres de Grashof, le modèle 2D ½, avec un choix adéquat du type de profil transverse de vitesse considérée, peut se substituer au modèle 3D. [1] Hachani et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, 85,438-454, (2015). [2] Boussaa et al., International Journal of Heat and Mass Transfer, 100, 680-690 (2016). [3] Botton et al., International Journal of Thermal Sciences, 71, 53-60 (2013)

Effect of natural and forced convection during phase transitions : Application to crystal growth

L'influence de la convection naturelle lors du changement de phase solide-liquide est traitée dans ce travail de thèse. La configuration géométrique considérée tout au long de cette étude à été choisie de manière à correspondre au creuset du montage expérimental de référence 'Afrodite'. Différents modèles numériques (3D,2D et 2D1/2) ont été proposés pour traiter des cas de convection naturelle, de changement de phase solide-liquide de corps pur et de solidification avec ségrégation d'alliages métalliques. L'incapacité des modèles 2D classiques, qui ne prennent pas en considération la dissipation visqueuse induite par les parois latérales du creuset, à prédire des résultats fiables est mis en évidence. Les modèles 2D1/2 sont obtenus en moyennant les équations de conservation de la quantité de mouvement, de l'énergie et de la chaleur sur la direction transverse x_3. Lors de cette moyennation, des profils de vitesse transverse ajustables via un paramètre ‘delta’ sont supposés. Un domaine de validité, consistant en une gamme de variation des paramètres de contrôle, où ces modèles sont applicables est rigoureusement défini. Les valeurs optimales de ‘delta’, pour lesquelles les modèles 2D1/2 peuvent se substituer aux modèles 3D à la fois pour les cas de convection naturelle (intensité de l'écoulement et champs de température) et pour les cas de changement de phase solide liquide de corps purs (forme et évolution du front solide liquide), sont données sous forme d'une relation empirique. L'approche multi-domaines adoptée pour le cas de changement de phase solide-liquide de corps purs et l'approche enthalpique couplée à un modèle de ségrégation utilisée pour le cas de la solidification d'alliages métalliques binaires sont détaillées. Des comparaisons entre les résultats 2D1/2 et les résultats expérimentaux obtenus avec l'installation 'Afrodyte' lors de la formation de lingots d'étain pur et d'alliage étain-plomb sont effectuées. Une attention particulière a été consacrée à la définition de conditions aux limites représentatives des expériences. Un bon accord est trouvé entre les résultats numériques et expérimentaux.This work concerns the influence of natural convection during solid-liquid phase change. The geometrical configuration considered throughout this study was chosen to correspond to the crucible of the 'Afrodite' benchmark experiment. Various numerical models (3D, 2D and 2D1/2) have been proposed to study cases of natural convection, pure materials's solid-liquid phase change and solidification of metallic alloys involving segregation phenomena. The classical 2D models, which do not take into account the viscous dissipation induced by the side walls of the crucible, are shown to be unable to predict reliable results. The proposed 2D1/2 models are obtained by averaging momentum, energy and heat conservation equations along the short transverse direction, assuming adjustable transverse velocity profiles depending on a parameter δ. A validity domain where these models are applicable is rigorously defined in terms of ranges of variation of the control parameters. An empirical expression is also proposed for the optimal δ values, for which the 2D1/2 models can accurately replace the 3D models for both natural convection problems (flow intensity and temperature fields) and pure materials solid-liquid phase change cases (form and evolution of the liquid solid-liquid front). The multi-domain approach, used for pure materials solid-liquid phase change cases, and the enthalpy approach coupled with a segregation model, used for binary metallic alloys solidification cases, are detailed. A comparison between the numerical results, obtained with the 2D1/2 model, and the experimental results, obtained with the 'Afrodite' benchmark, for the solidification of both pure tin and tin-lead ingots, is carried out. Special care has been devoted to the definition of the boundary conditions that are representative of the experiments. A good agreement is finally found between the numerical and experimental results

Effet de la convection naturelle et forcée lors des transitions de phases : Application à la croissance cristalline

This work concerns the influence of natural convection during solid-liquid phase change. The geometrical configuration considered throughout this study was chosen to correspond to the crucible of the 'Afrodite' benchmark experiment. Various numerical models (3D, 2D and 2D1/2) have been proposed to study cases of natural convection, pure materials's solid-liquid phase change and solidification of metallic alloys involving segregation phenomena. The classical 2D models, which do not take into account the viscous dissipation induced by the side walls of the crucible, are shown to be unable to predict reliable results. The proposed 2D1/2 models are obtained by averaging momentum, energy and heat conservation equations along the short transverse direction, assuming adjustable transverse velocity profiles depending on a parameter δ. A validity domain where these models are applicable is rigorously defined in terms of ranges of variation of the control parameters. An empirical expression is also proposed for the optimal δ values, for which the 2D1/2 models can accurately replace the 3D models for both natural convection problems (flow intensity and temperature fields) and pure materials solid-liquid phase change cases (form and evolution of the liquid solid-liquid front). The multi-domain approach, used for pure materials solid-liquid phase change cases, and the enthalpy approach coupled with a segregation model, used for binary metallic alloys solidification cases, are detailed. A comparison between the numerical results, obtained with the 2D1/2 model, and the experimental results, obtained with the 'Afrodite' benchmark, for the solidification of both pure tin and tin-lead ingots, is carried out. Special care has been devoted to the definition of the boundary conditions that are representative of the experiments. A good agreement is finally found between the numerical and experimental results.L'influence de la convection naturelle lors du changement de phase solide-liquide est traitée dans ce travail de thèse. La configuration géométrique considérée tout au long de cette étude à été choisie de manière à correspondre au creuset du montage expérimental de référence 'Afrodite'. Différents modèles numériques (3D,2D et 2D1/2) ont été proposés pour traiter des cas de convection naturelle, de changement de phase solide-liquide de corps pur et de solidification avec ségrégation d'alliages métalliques. L'incapacité des modèles 2D classiques, qui ne prennent pas en considération la dissipation visqueuse induite par les parois latérales du creuset, à prédire des résultats fiables est mis en évidence. Les modèles 2D1/2 sont obtenus en moyennant les équations de conservation de la quantité de mouvement, de l'énergie et de la chaleur sur la direction transverse x_3. Lors de cette moyennation, des profils de vitesse transverse ajustables via un paramètre ‘delta’ sont supposés. Un domaine de validité, consistant en une gamme de variation des paramètres de contrôle, où ces modèles sont applicables est rigoureusement défini. Les valeurs optimales de ‘delta’, pour lesquelles les modèles 2D1/2 peuvent se substituer aux modèles 3D à la fois pour les cas de convection naturelle (intensité de l'écoulement et champs de température) et pour les cas de changement de phase solide liquide de corps purs (forme et évolution du front solide liquide), sont données sous forme d'une relation empirique. L'approche multi-domaines adoptée pour le cas de changement de phase solide-liquide de corps purs et l'approche enthalpique couplée à un modèle de ségrégation utilisée pour le cas de la solidification d'alliages métalliques binaires sont détaillées. Des comparaisons entre les résultats 2D1/2 et les résultats expérimentaux obtenus avec l'installation 'Afrodyte' lors de la formation de lingots d'étain pur et d'alliage étain-plomb sont effectuées. Une attention particulière a été consacrée à la définition de conditions aux limites représentatives des expériences. Un bon accord est trouvé entre les résultats numériques et expérimentaux

Detection of relapsing fever Borrelia spp., Bartonella spp. and Anaplasmataceae bacteria in argasid ticks in Algeria.

Argasid ticks (soft ticks) are blood-feeding arthropods that can parasitize rodents, birds, humans, livestock and companion animals. Ticks of the Ornithodoros genus are known to be vectors of relapsing fever borreliosis in humans. In Algeria, little is known about relapsing fever borreliosis and other bacterial pathogens transmitted by argasid ticks.Between May 2013 and October 2015, we investigated the presence of soft ticks in 20 rodent burrows, 10 yellow-legged gull (Larus michahellis) nests and animal shelters in six locations in two different bioclimatic zones in Algeria. Six species of argasid ticks were identified morphologically and through 16S rRNA gene sequencing. The presence and prevalence of Borrelia spp., Bartonella spp., Rickettsia spp. and Anaplasmataceae was assessed by qPCR template assays in each specimen. All qPCR-positive samples were confirmed by standard PCR, followed by sequencing the amplified fragments. Two Borrelia species were identified: Borrelia hispanica in Ornithodoros occidentalis in Mostaganem, and Borrelia cf. turicatae in Carios capensis in Algiers. One new Bartonella genotype and one new Anaplasmataceae genotype were also identified in Argas persicus.The present study highlights the presence of relapsing fever borreliosis agents, although this disease is rarely diagnosed in Algeria. Other bacteria of unknown pathogenicity detected in argasid ticks which may bite humans deserve further investigation

Geographical distribution of argasid ticks collected and screened for the presence of <i>Borrelia</i>, <i>Bartonella</i> and Anaplasmataceae DNA in Algeria.

<p>Geographical distribution of argasid ticks collected and screened for the presence of <i>Borrelia</i>, <i>Bartonella</i> and Anaplasmataceae DNA in Algeria.</p

A consensus phylogenetic tree showing the relationships between <i>Bartonella</i> identified in the present study compared with other <i>Bartonella</i> species, based on concatenated <i>ftsZ</i> (292 bps) and <i>gltA</i> (200 bps) gene sequence comparisons.

<p>GenBank accession numbers are indicated at the beginning. Sequences were aligned using CLUSTALW, and phylogenetic inferences were obtained using the ML phylogenetic analysis with TOPALi 2.5 software (Biomathematics and Statistics Scotland, Edinburgh, UK) within the integrated ML application, using the K81uf + I + Г substitution model. Numbers at the nodes are percentages of bootstrap values obtained by repeating the analysis 100 times to generate a majority consensus tree (only those equal or higher than 80 were retained). The final set includes 492 base pairs. The scale bar represents a 20% nucleotide sequence divergence. Genbank accession numbers of <i>ftsZ</i> and <i>gltA</i> genes respectively are indicated at the beginning.</p

Phylogenetic tree showing the position of <i>Anaplasma</i> sp. amplified from <i>Argas persicus</i> in this study compared to other species.

<p>Phylogenetic inferences were obtained using MEGA 6. GenBank accession numbers are indicated at the beginning and the geographic origin of the species is indicated at the end. The 23S rRNA gene sequences were aligned using CLUSTALW, and phylogenetic inferences were obtained using the ML phylogenetic analysis with TOPALi 2.5 software (Biomathematics and Statistics Scotland, Edinburgh, UK) within the integrated ML application, using the K81uf + I + Г substitution model.</p

Detection and identification of <i>Borrelia</i> spp., <i>Bartonella</i> spp. and Anaplasmataceae in Algerian argasid ticks.

<p>Detection and identification of <i>Borrelia</i> spp., <i>Bartonella</i> spp. and Anaplasmataceae in Algerian argasid ticks.</p

Phylogenetic tree showing the position of <i>Borrelia hispanica</i> amplified from <i>Ornithodoros occidentalis</i> and <i>Borrelia cf</i>. <i>turicatae</i> amplified from <i>Carios capensis</i> in this study compared to other species.

<p>Phylogenetic inferences were obtained using MEGA 6. GenBank accession numbers are indicated at the beginning and the geographic origin of the species is indicated at the end. The <i>flaB</i> gene of <i>Borrelia</i> sp sequences was aligned using CLUSTALW, and phylogenetic inferences obtained using the ML phylogenetic analysis with TOPALi 2.5 software (Biomathematics and Statistics Scotland, Edinburgh, UK) within the integrated ML application, using the K81uf + I + Г substitution model.</p