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Vidange tourbillonnaire : propriétés de l'écoulement et de l'entrainement gazeux
No full textOne day, our childlike gaze stopped on the vortex created by our bathtub. Seemingly simple, as it appears common to us, the flow is actually characterized by astonishing complexity. Swirling drainage is indeed the subject of numerous articles in the literature, particularly on the modeling of the velocity field and the characteristic profile of the interface. Yet, many questions remain unanswered. These studies are often conducted in steady-state conditions when the water level is kept constant by a water injection system. The unsteady case, where water simply flows due to gravity, is rarely explored. We propose to study and compare these two regimes. The questions addressed concern the influence of the vortex on Torricelli's law, the conditions for bubble formation at the tip of the interface deformation, and the draining velocity of an ideal rotating water bottle.These questions, which touch on our daily lives, have significant industrial implications: estimating the drainage time of a container or preventing the phenomenon of bubble entrainment. These bubbles are indeed the cause of safety issues in nuclear and hydraulic power plants, as well as in many other industrial systems.Our study initially focuses on the modification of the drainage flow by the presence of the vortex, and particularly on the development of a new model for the draining velocity of the container. For this purpose, a human-sized device has been designed on a rotating platform with an onboard measurement system. The obtained model relies on the classical Torricelli law, which can be generalized by taking into account the effect of interface deformation induced by the vortex. The flow structure is also strongly impacted by the presence of the vortex, and we propose to comparatively study the cases of steady and unsteady drainage.The shape of the interface is a complex problem to model, depending on surface tension effects. Under the influence of increasing and concentrated vorticity, this deformation elongates. The gaseous core thus formed can destabilize, oscillate, and generate air bubbles that will be entrained in the flow. This thesis proposes to experimentally study the conditions for the appearance of this instability.Then, our study focuses on the particular case of draining an ideal water bottle, i.e., a hermetically sealed cylindrical tank set in rotation. We have also studied the conditions for the appearance of an optimum, where drainage is achieved more quickly, and thus tried to better understand the very popular experiment of creating a whirlpool in a water bottle to drain it faster. Specifically, we describe the different flow regimes during this type of drainage, as well as the transitions between these regimes.Finally, numerical simulations based on solving the Navier-Stokes equations are carried out using TrioCFD codes, which use the Front-tracking method, and OpenFoam, which uses the Volume of Fluid method, and allow for the reproduction of certain swirling drainage experiments. However, the phenomenon of bubble detachment, due to its sharpness, remains a numerical challenge that we will address after a comparative study of the performance of the codes used on various reference test cases.Un jour, notre regard d’enfant s’est arrêté sur le vortex créé par notre baignoire. D’une apparente simplicité, car il nous semble commun, l’écoulement se caractérise pourtant par une étonnante complexité. La vidange tourbillonnaire fait en effet l’objet de nombreux articles dans la littérature, notamment sur la modélisation du champ de vitesses et du profil caractéristique de l’interface. Pourtant, de nombreuses questions restent ouvertes. Ces études sont souvent menées en régimes stationnaires lorsque le niveau de l’eau est gardé constant par un système de réinjection de l’eau. Le cas instationnaire pour lequel l'eau s'écoule simplement sous l'effet de la gravité est rarement exploré. Nous proposons d’étudier et de comparer ces deux régimes. Les questions abordées portent sur l'influence du vortex sur la loi de Torricelli, les conditions de formation de bulles à la pointe de la déformation de l’interface, ou encore la vitesse de vidange d'une bouteille d'eau idéale mise en rotation.Ces questions qui touchent à notre quotidien ont de forts enjeux industriels : estimation du temps de vidange d’un récipient ou prévention du phénomène d’entrainement de bulles. Ces bulles sont en effet à l’origine de problèmes de sécurité dans les centrales nucléaires et hydrauliques, mais aussi dans bien d'autres systèmes industriels.Notre étude s’intéresse, dans un premier temps, à la modification de l’écoulement de vidange par la présence du vortex et notamment à l’élaboration d’un nouveau modèle pour la vitesse de vidange du récipient. À cet effet, un dispositif à taille humaine a été conçu sur une plateforme-tournante avec un système de mesures embarqué. Le modèle obtenu s'appuie sur la loi classique de Torricelli qu’il est possible de généraliser en prenant en compte l’effet de la déformation de l’interface induite par le vortex. La structure de l’écoulement est aussi fortement impactée par la présence du tourbillon et nous proposons ici d’étudier comparativement les cas de vidanges stationnaire et instationnaire.La forme de l’interface est un problème complexe à modéliser qui dépend des effets de tensions de surface. Sous l’effet d’une vorticité de plus en plus grande et concentrée, cette déformation s’allonge. Le cœur gazeux ainsi formé peut se déstabiliser, osciller et générer des bulles d’air qui seront entraînées dans l’écoulement. Cette thèse propose d’étudier expérimentalement les conditions d’apparitions de cette instabilité.Dans un deuxième temps, notre étude s’intéresse au cas particulier de la vidange d’une bouteille d’eau idéale, i.e. d’une cuve cylindrique hermétiquement fermée, mise en rotation. Nous avons aussi étudié les conditions d’apparition d’un optimum, pour lequel la vidange est réalisée plus rapidement et ainsi tenté de mieux comprendre l’expérience très populaire qui consiste à concevoir un tourbillon dans une bouteille d’eau pour la vider plus vite. En particulier, nous décrivons les différents régimes d’écoulement lors de ce type de vidange, ainsi que les transitions entre ces régimes.Enfin, des simulations numériques basées sur la résolution des équations de Navier-Stokes sont réalisées avec les codes TrioCFD, qui utilise la méthode Front-traking, et OpenFoam, qui utilise la méthode Volume of Fluid et permettent de reproduire certaines expériences de vidange tourbillonnaire. Cependant, le phénomène d’arrachement de bulles par sa finesse reste un défi numérique dont nous aborderons la problématique après une étude comparative des performances des codes utilisés sur différents cas tests de référence
Hydrogen Production by Photocatalysis under Solar Light: Development of Nanocomposites based on Metal Organic Frameworks (MOFs)
No full textInternational audienc
Scalable block preconditioners for saturated thermo-hydro-mechanics problems
No full textInternational audienceWe are interested in the modelling of saturated thermo-hydro-mechanical (THM) problems that describe the behaviour of a soil in which a weakly compressible fluid evolves. It is used for the evaluation of the THM impact of high-level activity radioactive waste exothermicity within a deep geological disposal facility. We shall present the definition of a block preconditioner with nested Krylov solvers for the fully coupled THM equations. Numerical results reflect the good performance of the proposed preconditioners that show to be weakly scalable until more than 2000 cores and more than 1 billion degrees of freedom. Thanks to their performance and robustness, a real waste storage problem on a scale, to our knowledge, unprecedented in the field, can be addressed
Serverless Cloud Computing: State of the Art and Challenges
No full textInternational audienceThe serverless model represents a paradigm shift in the cloud: as opposed to traditional cloud computing service models, serverless customers do not reserve hardware resources. The execution of their code is event-driven (HTTP requests, cron jobs, etc.) and billing is based on actual resource usage. In return, the responsibility of resource allocation and task placement lies on the provider. While serverless in the wild is mainly advertised as a public cloud offering, solutions are actively developed and backed by solid actors in the industry to allow the development of private cloud serverless platforms. The first generation of serverless offers, “Function as a Service” (FaaS), has severe shortcomings that can offset the potential benefits for both customers and providers—in terms of spendings and reliability on the customer side, and in terms of resources multiplexing on the provider side. Circumventing these flaws would allow considerable savings in money and energy for both providers and tenants. This chapter aims at establishing a comprehensive tour of these limitations, and presenting state-of-the-art studies to mitigate weaknesses that are currently holding serverless back from becoming the de facto cloud computing model. The main challenges related to the deployment of such a cloud platform are discussed and some perspectives for future directions in research are given
A reduced model for conical contact dedicated to flexible multi-body dynamics
No full textInternational audienceAn efficient time integration scheme for flexible multi-body dynamics with frictional impacts dedicated to finite element simulations is presented. Considering bulky compact components the linear theory of elastodynamics may be applied and two separate explicit Newmark integration schemes coupled only by non-linear forces are used for elastic vibration and rigid body dynamics respectively. After a brief study focused on conservation properties, a dedicated rigid-body integration scheme is selected. To avoid contact detection and classical mesh to mesh computation a parameteric study based on static computations is performed to express the reaction forces as analytical functions of few positional arguments. The penalty method is applied and combined with the Coulomb law to modelize impacts between the two colliding bodies. The results are then illustrated on a use case with configuration dependent contact geometry. Finally the global model aims at interpreting experiments on such configurations
Leveraging Citizen Science in Manual Annotation for Deep Learning in Underwater Passive Acoustic Studies
No full textInternational audiencePassive acoustic monitoring is widely used to study underwater soundscapes. This technique requires the manual annotation of large acoustic datasets which is a time-consuming task that necessitates training. To address this challenge, we propose leveraging citizen science by using a web-based platform for manual annotation of acoustic data. In this study, we explore the interest of involving anonymous individuals in annotating marine acoustic recordings in order to build training and test sets for deep learning methods. Here, we designed a convolutional neural network (CNN) to provide automatic detection of vocalizations emitted by pygmy blue whales. We evaluated the performance of the model and compared the obtained results with manual annotations from non-expert annotators and an expert annotator. The results indicated that while the model trained on expert annotations outperformed the others, the models trained on non-expert annotations also exhibited promising results, suggesting the potential for generalization. Moreover, we highlighted the need for large annotated datasets and the challenges associated with obtaining accurate annotations. Leveraging citizen science can provide valuable contributions to the annotation process and foster a better understanding of marine ecosystems and their response to human activities
Méthodes asymptotiques pour des métamatériaux acoustiques résonants
No full textIn this thesis, we are interested in effective asymptotic models to describe resonant acoustic metamaterials.The first part of the thesis is devoted to the study of dual-period array, sometimes referred to as compound gratings. When dealing with a dual-period grating, composed of a periodic unit cell with two slits, we are interested in the configuration where some symmetry is broken. By doing so, the evanescent field along the structure can couple with the propagating continuum. The perfect resonances becomes quasi-resonance, or leaky modes, and this leads to some striking behaviour in the transmission spectra, where asymmetric Fano like peaks are observed.In the first chapter, we present the problem setting. We will consider in this work the propagation a scalar wave, corresponding to solving the Helmholtz equation in two dimensions. We recall some properties of a regular subwavelegnth gratings and the a semi analytical modelling. We recall some fundamental properties, and establish the homogenization setting for the rest of the manuscript.In the second chapter, we present the physical properties of the dual period metagrating. We illustrate numerically the occurrences of trapped modes and the branch folding of guided wave, which allow the presence of the Fano resonance. The derivation of the homogenized effective model of a dual period metagrating is then presented, and we show the importance of the analysis at the edges of the array. The results show that the model is accurate up to surprisingly high frequencies. Furthermore, the obtained model allows for the derivation of closed form solutions and an analytical study of resonances exhibited by theThe second part focuses on space-coiled materials in the acoustic setting. As mentioned, these space-coiled or labyrinthine materials rely on the idea that the acoustic wave are forced to follow the path of the coiled slot. Spiral geometries and folding of the slot has allowed for compact design when dealing with surface waves. It has also stimulated a lot of research in terms of wave front manipulation. This can result in possibly large phase shift of the transmitted wave compared to the thickness of the structure. By varying the coiling from a cell to another, one can tune the phase shift and thus obtain beam steering. From a theoretical point of view, few attempts of deriving effective coefficient have been made. The question of effective length, i.e. the equivalent length of its uncoiled analogue, has been of great interest, and the few results rely on some heuristic definition of the uncoiled analogue. We tackle this problem through a more rigorous homogenization approach, and show that through some rearrangement of the coiling, one can obtain a richer response.In the third chapter, we revisit the classical space-coiled materials through classical homogenization and show that, although previous results have shown good results through intuition, the homogenization approach gives a more accurate equivalent effective index. The result are illustrated with numerical examples, and results from the existing literature are compared.The fourth chapter concerns the study of what we refer to as a meta-crystal. It consists of a space-coiled material, with straight slots of the order of the wavelength. Through some careful scaling, we derive an effective model which allows for one dimensional propagation inside each slot and where each turn distanced at the ordered of the wavelength acts as a scatterer. This can be interpreted as a one dimensional phononic crystal embedded in a subwavelength grating, which now benefits from two length-scales. The structure benefits from band gaps due to Bragg scattering, that is coupled with the Fabry-Pérot resonances. The total sample size stays however small thanks to the folding of the slots. Thanks to the derived effective model, the dispersion of the embedded crystal can be obtained, giving insight on the underlying mechanism.Dans cette thèse, nous nous intéressons aux modèles asymptotiques effectives pour décrire les métamatériaux acoustiques résonnants.La première partie de la thèse est consacrée à l'étude des réseaux à double période, parfois appelés réseaux composés. Dans le cas d'un réseau à double période, composé d'une cellule unitaire périodique avec deux fentes, nous nous intéressons à la configuration où une certaine symétrie est brisée. En faisant cela, le champ évanescent le long de la structure peut se coupler avec le continuum de propagation. Les résonances parfaites deviennent des quasi-résonances, ou des modes de fuite, et cela conduit à un comportement frappant dans les spectres de transmission, où des pics asymétriques de type Fano sont observés.Dans le premier chapitre, nous présentons le cadre du problème. Dans le deuxième chapitre, nous présentons les propriétés physiques du métamatériau à double période. Nous illustrons numériquement les occurrences des modes piégés et le repliement en branche de l'onde guidée, qui permettent la présence de la résonance de Fano. La dérivation du modèle effectif homogénéisé d'un métamatériau à double période est ensuite présentée, et nous montrons l'importance de l'analyse aux bords du réseau. Les résultats montrent que le modèle est précis jusqu'à des fréquences étonnamment élevées. En outre, le modèle obtenu permet de dériver des solutions en forme fermée et d'étudier de manière analytique les résonances présentées par le réseau.La deuxième partie se concentre sur les matériaux enroulés dans l'espace dans le contexte acoustique. Comme nous l'avons mentionné, ces matériaux enroulés dans l'espace ou labyrinthiques reposent sur l'idée que les ondes acoustiques sont forcées de suivre la trajectoire de la fente enroulée. Les géométries en spirale et le pliage de la fente ont permis une conception compacte lorsqu'il s'agit d'ondes de surface. En faisant varier l'enroulement d'une cellule à l'autre, on peut régler le déphasage et ainsi obtenir une orientation du faisceau. D'un point de vue théorique, quelques tentatives de calcul du coefficient effectif ont été faites. La question de la longueur effective, c'est-à-dire la longueur équivalente de son analogue non enroulé, a suscité un grand intérêt, et les quelques résultats reposent sur une définition heuristique de l'analogue non enroulé. Nous abordons ce problème par une approche d'homogénéisation plus rigoureuse, et nous montrons qu'en réarrangeant l'enroulement, on peut obtenir une réponse plus riche.Dans le troisième chapitre, nous revisitons les matériaux classiques enroulés dans l'espace par une homogénéisation classique et nous montrons que, bien que les résultats précédents aient donné de bons résultats par intuition, l'approche d'homogénéisation donne un indice effectif équivalent plus précis. Les résultats sont illustrés par des exemples numériques, et les résultats de la littérature existante sont comparés.Le quatrième chapitre concerne l'étude de ce que nous appelons un méta-cristal. Il consiste en un matériau enroulé dans l'espace, avec des fentes droites de l'ordre de la longueur d'onde. Grâce à une mise à l'échelle minutieuse, nous dérivons un modèle efficace qui permet une propagation unidimensionnelle à l'intérieur de chaque fente et où chaque tour éloigné de l'ordre de la longueur d'onde agit comme un diffuseur. Ceci peut être interprété comme un cristal phononique unidimensionnel intégré dans un réseau sub-longueur d'onde, qui bénéficie maintenant de deux échelles de longueur. La structure bénéficie de bandes interdites dues à la diffusion de Bragg, qui est couplée aux résonances de Fabry-Pérot. La taille totale de l'échantillon reste cependant petite grâce au pliage des fentes. Grâce au modèle effectif dérivé, la dispersion du cristal incorporé peut être obtenue, ce qui permet de comprendre le mécanisme sous-jacent