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Modélisation Thermoacoustique de Bas Ordre et Simulation de la Fonction de Transfert d'une Flamme Diphasique
Get PDFLes instabilités thermoacoustiques continuent d’être un obstacle majeur dans le développement des systèmes de combustion des turbines à gaz. Ces instabilités sont caractérisées par des oscillations de pression de grande amplitude dans la chambre de combustion. Elles sont indésirables car elles entraînent de fortes vibrations augmentant le bruit et les émissions de polluants, provoquant des contraintes thermiques et mécaniques excessives sur les composants de la chambre de combustion, voire menaçant l’intégrité structurelle du système complet. La simulation aux grandes échelles (LES) s’est avérée être un outil puissant capable de prédire de nombreux phénomènes de combustion instationnaire, y compris les instabilités. Cependant, les coûts de calcul élevés associés empêchent cette approche d’être utilisée en phase de conception pour analyser toutes les conceptions possibles et les conditions de fonctionnement auxquelles les instabilités restent extrêmement sensibles. C’est pourquoi les modèles de bas ordre (LOM) sont précieux et complètent bien les LES, en particulier pendant les étapes de préconception de la chambre de combustion. Bien que la plupart des outils LOM disponibles effectuent des simplifications physiques importantes (par exemple, linéarisation de l’acoustique, réponse à la flamme), ils utilisent également généralement des géométries trop simplifiées. L’un des principaux objectifs de ce travail est de remédier à cette dernière limitation et d’améliorer les techniques LOM existantes pour pouvoir gérer des géométries réalistes complexes.
Une grande partie du travail s’articule autour du développement et de la validation d’un nouvel outil de modélisation de réseaux acoustiques basé sur des ex- pansions modales (Galerkin Series) et des méthodes d’espace d’états (viz. STORM) pour prédire et analyser les instabilités. Dans STORM, un système complexe à analyser est décomposé et représenté comme un réseau d’éléments géométriques plus simples (sous-domaines), de connexion (couplage), de flamme et d’éléments d’impédance. Les caractéristiques uniques de STORM sont la technique d’expansion modale sur des Frame récemment introduite pour modéliser l’acoustique dans les sous-domaines du réseau et la méthodologie dite des connexions spectrales de surface qui a été développée récemment au CERFACS. Ensemble, ils permettent des inter- connexions transparentes entre les sous-domaines avec une acoustique 1D/2D/3D et construisent des réseaux représentant des configurations complexes pertinentes pour l’industrie. Les méthodes d’approximation rationnelle sont discutées pour incorporer des modèles réalistes d’interaction flamme/acoustique (c’est-à-dire, les fonctions de transfert de flamme (FTF) dans les réseaux STORM. L’importance de quelques contraintes physiques, en particulier la causalité, dans les algorithmes déri- vant ces modèles de réponse de flamme d’ordre inférieur, dans le domaine temporel, dans l’espace d’états et basés sur les données à partir de données de simulation expérimentales ou d’ordre élevé, est mise en évidence. Un type spécial d’élément d’impédance de réseau, DECBC (Delayed Entropy Coupled Boundary Condition), est également développé pour faciliter la prédiction des instabilités mixtes entropie- acoustique. Dans l’ensemble, STORM présente un outil efficace, modulaire et flexi- ble pour prédire les instabilités thermoacoustiques et devrait aider à déterminer les régimes de stabilité et les stratégies de contrôle passif optimales.
Dans la deuxième partie mineure de la thèse, le forçage acoustique de la flamme de pulvérisation tourbillonnante turbulente est simulé en utilisant l’approche Euler- Lagrange (EL) LES. L’objectif était de calculer le FTF et d’évaluer la pertinence du cadre de modélisation de la combustion diphasique EL-LES existant pour un tel problème d’identification de système. Des travaux récents ont démontré le potentiel de EL-LES pour prédire avec précision l’instabilité auto-entretenue. Cependant, les simulations forcées présentent certaines difficultés et la FTF obtenue numériquement s’écarte des valeurs de référence expérimentales d’environ 20 à 30%. Les résultats restent sensibles, en général, aux paramètres de modélisation, si bien que d’autres investigations seront nécessaires pour améliorer les modèles et la fidélité des prévisions
Mécano-biologie des tissus hétérogènes par changement d'échelles : application à l'ostéosarcome
Get PDFL’ostéosarcome est une tumeur osseuse primitive qui survient principalement chez les adolescents et les jeunes adultes. Le taux de survie à 5 ans est de 70% et chute à 25% pour les patients présentant des métastases ou ne répondant pas aux traitements. De nouveaux développements sont nécessaires pour améliorer la prise en charge spécifique des patients. Ce type de tumeurs présente de fortes hétérogénéités spatiales dans la micro-architecture osseuse, dans la distribution des populations cellulaires mais aussi dans la réponse au traitement. A l’échelle tissulaire et du point de vue de la biophysique, l’ostéosarcome peut être considéré comme un milieu poreux fortement hétérogène et nous supposons que l’ostéosarcome est sensible aux effets mécaniques lors de sa formation et de son évolution. Nous proposons une méthode de changement d’échelles pour caractériser les propriétés mécaniques de tels milieux poreux. La méthode s’appuie sur une approche séquentielle "grid-block" combinée à une méthode "extend-local". La méthodologie est adaptée à des images de grandes tailles et notamment aux images binaires de coupes histologiques d’ostéosarcomes obtenues en routine clinique. Des modèles d’écoulement, de diffusion, d’élasticité et de poroélasticité sont étudiés. Les paramètres équivalents, constants par morceaux, de type perméabilités tissulaires et coefficients de raideurs tissulaires sont déterminés avec fiabilité. Plusieurs résultats méthodologiques ont été obtenus tels que les inégalités portant sur les paramètres équivalents en fonction des conditions aux limites imposées sur les éléments du "grid-block" ou la caractérisation du rôle des méthodes "extendlocal" dans le calcul des paramètres de raideur. Dans une étude clinique préliminaire, des relations entre les propriétés mécaniques tissulaires et les paramètres cellulaires sont données. Une cohorte réduite de patients montre que la réponse au traitement peut être corrélée à l’architecture du micro-environnement et à ses propriétés mécaniques. Ceci pourrait soutenir la recherche de marqueurs mécanobiologiques pour le suivi de la réponse au traitement chez les patients atteints d’ostéosarcome
Facing successfully high mental workload and stressors: An fMRI study
Get PDFThe present fMRI study aimed at highlighting patterns of brain activations and autonomic activity when confronted with high mental workload and the threat of auditory stressors. Twenty participants performed a complex cognitive task in either safe or aversive conditions. Our results showed that increased mental workload induced recruitment of the lateral frontoparietal executive control network (ECN), along with disengagement of medial prefrontal and posterior cingulate regions of the default mode network (DMN). Mental workload also elicited an increase in heart rate and pupil diameter. Task performance did not decrease under the threat of stressors, most likely due to efficient inhibition of auditory regions, as reflected by a large decrement of activity in the superior temporal gyri. The threat of stressors was also accompanied with deactivations of limbic regions of the salience network (SN), possibly reflecting emotional regulation mechanisms through control from dorsal medial prefrontal and parietal regions, as indicated by functional connectivity analyses. Meanwhile, the threat of stressors induced enhanced ECN activity, likely for improved attentional and cognitive processes toward the task, as suggested by increased lateral prefrontal and parietal activations. These fMRI results suggest that measuring the balance between ECN, SN, and DMN recruitment could be used for objective mental state assessment. In this sense, an extra recruitment of task-related regions and a high ratio of lateral versus medial prefrontal activity may represent a relevant marker of increased but efficient mental effort, while the opposite may indicate a disengagement from the task due to mental overload and/or stressors
A phase inversion benchmark for multiscale multiphase flows
Get PDFA series of benchmarks based on the physical situation of “phase inversion” between two immiscible liquids is presented. These benchmarks aim at progressing towards the direct numerical simulation of two-phase flows. Several CFD codes developed in French laboratories and using either Volume-of-Fluid or Level-Set interface tracking methods are used to provide physical solutions of the benchmarks, convergence studies and code comparisons. Two typical configurations are retained, with integral scale Reynolds numbers of 1.37 10^4 and 4.33 10^5, respectively. The physics of the problem are probed through macroscopic quantities such as potential and kinetic energies, or enstrophy. In addition, scaling laws for the temporal decay of the kinetic energy are derived to check the physical relevance of the simulations. Finally the droplet size distribution is probed. Additional test problems are also reported to estimate the influence of viscous effects in the vicinity of the interface
Combining sequential extraction and 3D fluorescence to investigate the behavior of antibiotic and polycyclic aromatic hydrocarbons during solar drying of sewage sludge
Get PDFSolar drying and liming are commonly used for sludge treatment, but little is known about their efficiency on antibiotics and Polycyclic Aromatic Hydrocarbons (PAHs) removal. This study aimed to investigate the removal of antibiotics and PAHs during solar drying of Limed Sludge (LS) and Non-Limed Sludge (NLS). Thus, organic matter fractionation and 3D fluorescence were used to assess the accessibility and the complexity of organic matter. 2 experiments have been conducted using LS and NLS for 45 days of drying in a pilot scale tunnel. Physicochemical results indicated significant decrease of water content (90%) for both sludge samples within 15 days of drying. For both treatments, the removal of total organic carbon and total nitrogen was low and similar for both treatments. Through this study, it has been confirmed that liming and drying contributed to a strong modification of the organic matter quality with an increase of its accessibility. On the other hand, drying alone increased the less accessible compartments, while the presence of lime affected the interconnexion between the organic matter pools. 3D fluorescence confirmed the obtained results and indicated that LS leads to obtaining more simple molecules in the most accessible compartments, while NLS leads to obtaining more complex molecules in the less accessible compartments. In addition, solar radiations and leaching may contribute to the significant removal (p < 0.01) of roxithromycin, benzo(a)anthracene, chrysene, benzo[k]fluoranthene, benzo[a]pyrene, and benzo(g, h, i) perylene in the presence of lime. Furthermore, the evolution of organic matter pools in terms of accessibility and complexity may drive the bioavailability of these pollutants, leading to their significant removal
Modélisation d'un réacteur de méthanisation en voie sèche et étude du traitement in-situ de l'ammoniac
Get PDFLa méthanisation, ou digestion anaérobie, est reconnue comme une voie alternative de production d’énergie renouvelable permettant à la fois de traiter des déchets organiques et de produire un vecteur énergétique, le biogaz. Cependant, malgré des objectifs ambitieux affichés par la France, le développement de la filière de méthanisation se heurte encore à un certain nombre de verrous. Parmi ces verrous, l’inhibition de l’activité de la biomasse par de fortes concentrations en ammoniac peut s’avérer très limitante lors de l’utilisation de certains substrats agricoles. Ces travaux, effectués en collaboration avec la société ARKOLIA Énergies, s’inscrivent dans le projet régional OCCIMETHA dont l’un des objectifs est de présenter des solutions industrielles à la gestion de l’ammoniac issu de la dégradation des gisements riches en azote organique présents en région Occitanie (résidus d’élevages porcin, ovin, caprin et avicole). Ces travaux se concentrent sur l’étude d’une solution de traitement in-situ de l’ammoniac qui pourrait être mise en oeuvre au sein du procédé « voie épaisse » nommé ARKOMETHA® développé par ARKOLIA Énergies. Cette solution consiste en l’injection d’un courant de biogaz appauvri en ammoniac directement dans le milieu de digestion afin de désorber une fraction de l'ammoniac qu’il contient. Dans l’objectif d’évaluer la faisabilité et la viabilité de cette voie d’extraction, un modèle dynamique de réacteur est développé. Il permet de prévoir l’apparition de phénomène d’inhibition à l’ammoniac, de s’approcher d’une représentation du fonctionnement réel de l’ARKOMETHA® et de simuler le traitement in-situ de l’ammoniac. Ce modèle de réacteur intègre une version simplifiée du modèle biologique « Anaerobic digestion model number 1 » (ADM1) et assimile l’écoulement horizontal de type « piston » de la matière au sein de l’ARKOMETHA® à une succession de « n » réacteurs parfaitement agités continus (RAC). Les paramètres cinétiques de ce modèle ont été fixés dans une gamme cohérente de valeurs au regard de la littérature et une étape d’analyse de sensibilité a permis de mettre en exergue les paramètres influençant significativement les sorties du modèle. Afin de pouvoir prédire la manifestation de forts effets d’inhibition à l’ammoniac, il est démontré qu’il est impératif de considérer en sus de l’inhibition à l’ammoniac libre (NH3), largement reconnue comme la forme la plus inhibitrice de l’ammoniac, l’inhibition à l’ion ammonium (NH4+). La dernière partie de ce travail est consacrée à l’étude du traitement in-situ de l’ammoniac au cours de la digestion d’un substrat agricole type de la région Occitanie dans deux configurations de RAC en série différentes : cinq RACs de volumes identiques ; quatre RACs de volumes croissants représentant une phase d’hydrolyse suivie d’une phase de méthanogenèse. Au vue du manque de données bibliographiques sur le coefficient de transfert liquide-gaz (kLa) et sur la constante d’inhibition seuil de l’ion ammonium (Kimax,NH4+), l’influence de ces paramètres sur l’efficacité du stripping est discutée. Il apparait que ces paramètres influencent grandement l’estimation du débit de biogaz nécessaire au traitement de l’ammoniac et que de ce fait leur calibration est cruciale. Aussi, les effets des différents paramètres d’injection que sont le débit de biogaz, sa composition (CH4, CO2, NH3) et les zones du méthaniseur traitées sont évalués sur les caractéristiques du milieu de digestion (alcalinité, pH) ainsi que sur l’efficacité du traitement de l’ammoniac. L’ensemble de ces études permet de montrer qu’il est possible d’empêcher l’inhibition à l’ammoniac et l’arrêt des processus de digestion par l’extraction in situ d’ammoniac. Cependant, bien que les conditions optimales du traitement de l’ammoniac dépendent des paramètres cinétiques du modèle, il apparait que cette méthode nécessite de forts débits d’injection ce qui peut remettre en question sa faisabilité industrielle
Amélioration des performances des convertisseurs HVDC mis en oeuvre pour le raccordement des parcs éoliens offshore lointains : évaluation du potentiel des nouveaux composants IGCT
Get PDFDepuis plus d'une dizaine d'années, le raccordement à courant continu haute tension (HVDC) des parcs éoliens en mer s'intensifie. Cela permet de transporter vers le continent des niveaux de puissance avoisinant le GW, sur des distances sous-marines excédant la cinquantaine de kilomètres. Un enjeu clé lié au dimensionnement des stations de conversion HVDC, basées sur des MMC (convertisseurs modulaires multiniveaux), est leur rendement. Rien que 0.1% de pertes représente plusieurs GWh perdus pour chaque année d'exploitation du parc éolien. Ces pertes sont liées aux caractéristiques des semi-conducteurs utilisés. Aujourd'hui, l'IGBT (transistor bipolaire à grille isolée) est le seul composant utilisé dans ce type d'application. Historiquement, l'IGBT a été développé pour des applications industrielles de moyenne puissance, et ne parait pas a priori bien placé pour réaliser des systèmes HVDC. A contrario, l'IGCT (thyristor intégré commuté par la gâchette) présente quant à lui des performances et des spécificités qui semblent mieux adaptées, néanmoins son usage dans de tels systèmes n'a jamais été considéré. Le but de cette thèse est d'optimiser le rendement de convertisseurs HVDC à base d'IGCT, dans le cadre du raccordement des parcs éoliens en mer. Ce travail a fait l'objet d'une collaboration entre le Laboratoire LAPLACE à Toulouse, EDF R&D, et le fabricant de semi-conducteurs Hitachi ABB Power Grids, Semiconductors. Dans un premier temps, les caractéristiques statiques et dynamiques des IGCT ont été relevées expérimentalement sur un banc d'essais impulsionnel. Un modèle électro-thermique a ensuite été élaboré, ceci afin de déterminer avec précision les pertes dans la centaine de sous-modules équipant un bras de MMC. Cette approche a permis de comparer différents IGCT suivant les niveaux de pertes, en prenant en compte l'intermittence de production du parc éolien en mer. Suite à cette étude basée sur des calculs et des simulations, un banc d'essais en régime permanent, constitué de deux cellules à base d'IGCT mises en opposition, a été conçu et mis en oeuvre afin de mesurer avec précision les pertes en conduction et les pertes par commutation grâce à une instrumentation dédiée. Avec une tension de travail allant jusqu'à 5 kV et des courants dépassant 2 kA, des composants 4.5 kV et 10 kV ont pu été testés dans des conditions de fonctionnement équivalentes à celles d'une station HVDC d'une puissance de 1 GW. Les mesures de pertes utilisant la méthode calorimétrique ont pu confirmer la validité des modèles électro-thermiques relatifs à IGCT et à son circuit d'aide à la commutation, avec une précision de l'ordre de 10%. Les relevés des formes d'onde ont mis en avant des écarts plus importants concernant les pertes par commutation, causés par les inductances parasites de connexion au sein de la cellule de commutation. L'utilisation croisée des modèles de pertes et des mesures expérimentales démontre que les IGCT 4.5 kV peuvent permettre une montée en puissance notable des stations HVDC à base de MMC, tandis que les IGCT 6.5 kV et 10 kV sont les plus adaptés pour accompagner la montée en tension des câbles HVDC. Les circuits permettant la commutation douce des composants sont prometteurs afin de réduire le volume des sous-modules, et seraient particulièrement favorables aux composants 6.5 kV et 10 kV, dont les pertes par commutation constituent le principal facteur limitant
Isothermal Oxidation of Ti3Al0.6Ga0.4C2 MAX Phase Solid Solution in Air at 1000 °C to 1300 °C
Get PDFThe atomically laminated Ti2AlC, Ti3AlC2 and Cr2AlC MAX phases, with A = Al, form adherent, passivating α-alumina, Al2O3, oxide scales when heated in air. The effect of solid solutions on the A layers in affecting the oxidation kinetics remains a subject of open research. Herein we synthesize a dense bulk polycrystalline Ti3Al1−xGaxC2 (x ≈ 0.4) solid-solution and investigate its isothermal oxidation in ambient air, in the 1000 °C–1300 °C temperature range, for times varying between 15 and 300 h. At 1000 °C, a passivating dense Al2O3 layer ( ≈ 1–2.6 μm thick) with near cubic kinetics and an overall weight gain that is slightly less than either Ti3AlC2 or Ti2AlC is formed. At 1200 °C, the Al2O3 layer thickens (3.5–12 μm thick) with some scale delamination on the corners initiating at 15 h. At 1300 °C, the Al2O3 layer (7.6–20.7 μm thick) wrinkles and Al2TiO5 forms. Though the Al2O3 grains coarsen at 1200 °C and 1300 °C, the weight gain is higher than that for Ti3AlC2 or Ti2AlC. At around 7 at. %, this is one of the lowest, if not lowest, Al mole fraction in a Ti-based alloy/compound that forms an Al2O3 passivating layer. We further provide compelling microstructural evidence, in the form of a duplex oxide, that at 1000 °C, the outward Al flux, JAl, and the inward O flux, JO, are related such that 2 JAl = 3 JO. A fraction of these fluxes combine, at the duplex oxide interface, to nucleate small grain
Thermal insulation blocks made of sunflower pith particles and polysaccharide-based binders: influence of binder type and content on their characteristics
Get PDFCo-product of sunflower cultivation, pith of stem has a little exploited insulating potential. Blocks in which pith particles are glued together using a starch-based binder have already been obtained. However, they are highly water-sensitive. Replacing this binder with others has been considered here. Polysaccharide-based binders were tested, chosen for their more hydrophobic character: sodium alginate, chitosan, Citrus pectin, and a modified starch. Like starch, these binders are physically binding. They are first solubilised in water (except chitosan, dissolved in 2% acetic acid). The solution is then mixed with pith particles before cold compression molding for 90 s. A 10% binder content was initially considered. The blocks were all cohesive with a dry density from 36 to 42 kg/m3). Their performances were assessed through water absorption capacity and resistance via capillary absorption tests on wet sponges, mechanical test and thermal conductivity. Chitosan and pectin-based blocks show the best properties, particularly concerning water resistance and mechanical properties. The pectin-based block has improved its elastic modulus by 40% compared to a starch-based block. The pectin-based block in its case absorbs 2.7 times less water than starch. Finally, thermal conductivities of pectin and chitosan-based pith blocks are in the same order of magnitude as for starch (39.8-40.1 mW/m.K), and close to values from commercial materials (e.g., polystyrene). Pectin and chitosan were also tested at three rates (5%, 10% and 15%). A significant improvement in the blocks' compressive strength was observed with the increase in binder rate, while thermal conductivities varied little
Towards a Customizable Architecture for Indoor Multi-Usages Drones
No full textWhere the building industry already uses drones for outside inspection and digitization activities, this paper proposes the use of multi-usages drones able to perform various services inside buildings, ranging from inspection, digitization, monitoring health and evaluation of technical performances of the building. Related to four different operational environments (use-cases), such multi-usages drones need to be able to be adapted for their specific use, raising specific design challenges that increase the complexity of the system. A Model-Based Systems Engineering approach is proposed and applied to address this complexity, so to develop a customizable architecture. First results of this work are presented in this paper, part of the ‘Indoor Multi-Usages Drone Acquisition’ (IMUDA) project