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Experimental and numerical characterization of the rheological behavior of a complex fluid : application to a wet foam flow through a horizontal straight duct with and without flow disruption devices (FDD)
No full textCe travail porte sur l’étude expérimentale et numérique de l’écoulement des mousses humides dans un canal horizontal droit de section carrée avec ou sans singularités. Il est consacré tout particulièrement à déterminer les paramètres pertinents de l’écoulement dont la chute de pression longitudinale, les champs de vitesse de l’écoulement de mousse en proche parois, les épaisseurs de films liquides minces et épais en paroi et l’évolution de la contrainte pariétale pour une mousse humide dont la fraction gazeuse varie de 55 à 85% et la vitesse débitante de la mousse est 2, 4 puis 6 cm/s. Une fois ces paramètres déterminés en conduite horizontale droite, nous avons ensuite effectué des mesures sur différentes géométries représentant un élargissement brusque, une chicane verticale et écoulement de mousse autour d’un cylindre, dont le but est d’étudier la réorganisation de l’écoulement en vue de déterminer le comportement rhéologique des mousses en écoulement à l’aval et à l’amont des singularités. Finalement, une étude de simulation numérique (CFD) en utilisant les lois de comportement de type Bingham, pour fluides non newtoniens, a été effectuée afin de tester sa capacité de représenter des écoulements type mousse humide dans une conduite horizontale avec ou sans singularités. Nous avons vérifié tout d’abord l’évolution longitudinale de la pression statique qui est linéaire à l’amont comme à l’aval loin des zones influencées par les singularités. La chute de pression singulière reste à peu près constante pour une vitesse débitante donnée de la mousse. À partir de la technique de Vélocimétrie par Image de Particule (PIV), nous avons déterminé les composantes de vitesse au voisinage immédiat des singularités. Ces mesures nous ont permis de mettre en évidence l’existence de différents régimes d’écoulement, et de déterminer la réorganisation et le comportement rhéologique de l’écoulement de mousse autour des géométries étudiées. L’analyse des mesures d’épaisseur de films liquides, obtenues par la méthode conductimétrique, indique que la paroi reste mouillée par un film liquide suffisamment épais pour qu’on puisse appliquer la méthode électrochimique. Les signaux polarographiques obtenus avec la mousse présentent alors de fortes fluctuations. La comparaison de celles-ci avec les contraintes pariétales déduites à partir des mesures de la chute de pression montre bien une bonne concordance. L’étude numérique (CFD), effectuée pour une fraction volumique de gaz égale à 70% et qui s’écoule avec une vitesse débitante de 2 cm/s, montre que le modèle rhéologique de Bingham pourrait être bien adapté à ce genre de mousse humide évoluant en écoulement en bloc.This work is an experimental and numerical study of aqueous foam flow inside a horizontal square duct, with and without flow disruption devices (fdd). It is especially devoted to determine the pertinent parameters of the flow: longitudinal pressure losses, velocity fields of foam flow near the walls, liquid film thickness (thick and thin), and the wall shear stress evolution, for an aqueous foam with a void fraction range between 55 and 85%, for a mean foam flow velocity of 2, 4 and 6 cm/s. Once they were determined, inside the horizontal channel, we carried out measurements over different geometries: half-sudden expansion, vertical fence and foam flow around a cylinder. The goal was to study the foam flow reorganization to well understand the rheological behavior of aqueous foam flow in the vicinities of different fdd. Finally, a numerical simulation (CFD), using the Bingham behavior model of non-Newtonian fluid, was undertaken to test its capacity to represent the aqueous foam flow inside the horizontal duct with flow disruption devices. First of all, we verified the static longitudinal pressure evolution, which varies linearly upstream and downstream far from the fdd. The singular pressure loss remains constant for a given mean foam velocity and a foam quality (void fraction). From the Particle Imaging Velocimetry (PIV) technique (2D), we determined the two velocity components in the immediate vicinities of the disruption devices. They allowed us to put into evidence the different foam flow regimes and to observe the foam flow reorganization and rheological behavior through the studied fdd. The slip-layer thickness analysis, obtained using the conductimetry method, shows that the wall presents a liquid film thick enough to apply an electrochemical technique (polarography). Thus, the polarographic signals, obtained for the foam flow, present important fluctuations. They were compared to the wall shear stress deducted from the measurement of pressure losses, showing a good similarity between them. The numerical study (CFD), carried out for aqueous foam flow with a void fraction of 70% and a mean foam flow velocity of 2 cm/s, shows that the Bingham rheological model can be adapted to this kind of aqueous foam flow which is flowing like a block
Experimental and numerical investigations of “fabrication of TiO<sub>2</sub> compact layer by the spray pyrolysis deposition system for dye-sensitized solar cells”
No full textCurrent research focuses on the fabrication of the dye-sensitized solar cells (DSCs) based on titanium dioxide (TiO2) compact layer deposited by the spray pyrolysis deposition (SPD) technique. TiO2 compact layers have been grown on fluorine-doped tin oxide (FTO) glass substrates by the experimental aerosol-assisted SPD setup. This setup is designed and constructed for the research under the following conditions: substrate temperature of 300 °C, 400 °C, and 500 °C; initial solution concentration of Ti (IV) isopropoxide and ethanol of 0.5 ml and 100 ml, respectively; carrier gas pressure of 0.1 bar; nozzle-to-substrate distance of 20–30 cm; and spraying time of 5–10 s. The characterization instruments such as HITACHI (S-2700) scanning electron microscopy (SEM), BRUKER (D500) X-ray diffractometer (XRD), and JENWAY 7310 UV-Vis spectrophotometer have been used to investigate the film properties. Dye-sensitized solar cells (DSCs) were assembled based on a bare FTO glass, FTO coated with TiO2 compact layer and with conventional TiCl4-treated film. The current density (JSC) and overall energy conversion efficiency of the device have been improved from 11.31 to 12.8 mA/cm2 and from 3.8% to 6.4%, respectively. However, the dye-sensitized solar cell based on TiCl4-treated film presented the best results with efficiency of 7.35% and current density of 13.08 mA/cm2.</p
Verbesserte aerodynamische Auslegungsmethode von Zentrifugalen Ventilatoren, um erheblichen Erosionsschaden aus Partikel Wandstoß zu reduzieren
No full textThe need for evermore growing production capacity while maintaining low maintenance costs and high product quality has been and remains one of the main aims of every industrial. This is apparent in the funded research areas in the last two centuries which focused on multiple topics dealing with extending the product functionality and the overall cost reduction. One of the greatest opportunities for cost reduction is the preemptive maintenance of equipment in the production line. This includes a wide range of machinery with different working conditions and installments along with different kinds of strains. Material strain and failure caused by the wear damage is one of the most known and researched phenomena in this area. It is responsible for reducing the lifespan of numerous installments and thus being a safety hazard in many production lines. It is in this area of interest that this work explores the possibility of improving the resistance to the wear damage caused by solid particle impingement in rotatory machinery.
In this work a new method for the aero-dynamical design of centrifugal compressors is presented. This new method is based not only on the performance map of the compressor but also takes the wear damage in form of erosion via solid particle impingement into account in the design phase. Wear has been classically treated after its appearance in the equipment, but in this thesis, it is shown how the treatment of wear in form of erosion can also be preemptive and occur in the early phase of compressor design.
The study of literature on the subject of erosion leads to the inevitable necessity of differentiating in the complexity of the way of occurrence and its nature. Erosion for example has its consequence on the material but has its cause in the particle impact which is conveyed by a stream in form of a carrier fluid. Instead of treating the damaged material, in this thesis the stream carrying the particles responsible for the erosion is subject to study by means of numerical simulations on different field cases. Beginning with the numerical discretization of the particle trajectory components in different frames of reference to evaluate the relation of the trajectory to the specific geometry of rotating machinery and going through coupled CFD-Erosion simulations applying available erosion models in the literature to discuss and assess the damage inflicted in order to reevaluate and modify the design. The erosion models used in this work are assessed based on their applicability on the scope of focus and on their ease in the implementation and use in the simulation environment.
The application of numerous aero-dynamical optimizations to the blade construct and geometry based on the observations made thanks to the study of the carrier fluid and the numerical assessment of the particle trajectory, the effects on the overall flow in the vicinity of the impeller are evaluated at each instance and resulted in the improved method for the compressor’s design. The particle trajectory is treated in phases: The phase of the first impact is of particular interest as it conveys the maximum impact damage through the particle incident energy conferred through the carrier fluid. The control of the first impact location contributed greatly to the reduction of erosion damage.
This method is applied successfully on a numerical model of a centrifugal compressor and led to a 77% reduction of erosion damage on the rotor’s blades and thus considerably increasing the lifespan of this equipment.Die Notwendigkeit einer immer größeren Produktionskapazität bei gleichzeitig niedrigen Wartungskosten und hoher Produktqualität war und ist eines der Hauptziele jeder Industrie. Dies zeigt sich in den während der letzten zwei Jahrhunderten geförderten Forschungsbereichen, die sich mit verschiedenen Themen zu der Erweiterung von Produktfunktionalität und zu der Gesamtkostenreduzierung befassten. Eine der größten Möglichkeiten zur Kostensenkung ist die proaktive Wartung von Anlagen in der Produktionslinie. Zu einer Produktionslinie gehören eine breite Palette von Maschinen mit unterschiedlichen Arbeitsbedingungen und Materialbelastungen. Materialbeanspruchung und -versagen durch Verschleißschäden ist eines der bekanntesten und am besten erforschten Phänomene auf diesem Gebiet. Es ist für die Verkürzung der Lebensdauer zahlreicher Anlagen verantwortlich und damit ein Sicherheitsrisiko in vielen Produktionslinien. Die vorliegende Arbeit untersucht Möglichkeiten zur Verbesserung der Widerstandsfähigkeit gegen Verschleißschäden, die durch den Aufprall fester Partikel in rotierenden Maschinen verursacht werden.
In dieser Arbeit wird eine neue Methode zur aerodynamischen Auslegung von Radialventilatoren vorgestellt. Diese neue Methode basiert nicht nur auf dem klassischen Kennfeld des Kompressors, sondern berücksichtigt zusätzlich Verschleißschäden in Form von Erosion durch Feststoffpartikelaufprall in der Auslegungsphase. Üblicherweise wird der Verschleiß erst nach seinem Auftreten untersucht, die vorliegende Arbeit zeigt dagegen wie Verschleiß in Form von Erosion auch präventiv und in der frühen Phase der Auslegung berücksichtigt werden kann.
Die Literaturrecherche zum Thema Erosion zeigt die zwingende Notwendigkeit in der Komplexität des Verschleißgeschehens und seinen Arten zu unterscheiden. Die Erosion hat Auswirkungen auf das Material, wird aber durch den Aufprall von Partikeln, die durch eine Trägerflüssigkeit befördert werden, verursacht. Anstatt das beschädigte Material zu behandeln, wird in dieser Arbeit die Strömung, die die für die Erosion verantwortlichen Partikel trägt, mittels numerischer Simulationen untersucht. Zu Beginn steht die numerische Identifizierung der Partikelflugbahnkomponenten in verschiedenen Referenzrahmen. Dies dient dazu die Beziehung der Flugbahn zur Geometrie der rotierenden Maschinen zu bewerten. Durch gekoppelte CFD-Erosionssimulationen unter Verwendung von in der Literatur verfügbaren Erosionsmodellen werden die Designs bewertet und basierend auf dem Schadensbild modifiziert. Die in dieser Arbeit verwendeten Erosionsmodelle werden hinsichtlich ihrer Anwendbarkeit und ihrer Einfachheit bei der Implementierung und Verwendung in der Simulationsumgebung bewertet.
Durch die Durchführung zahlreicher aerodynamischer Optimierungen von Schaufeldesign und -geometrie basierend auf den Beobachtungen, die während der Untersuchung der Trägerflüssigkeit und der numerischen Bewertung der Partikelflugbahn gemacht werden, wird die Auswirkung auf die Gesamtströmung in der Nähe des Laufrads bewertet, wobei sich in jedem Fall eine optimierte Auslegung des Ventilators ergibt. Die Partikelflugbahn wird in sukzessiven Phasen behandelt, wobei die Phase des ersten Aufpralls von besonderem Interesse ist, da sie den maximalen Aufprallschaden durch die übertragene Partikeleinfallsenergie beschreibt. Die Kontrolle der ersten Einschlagstelle trägt wesentlich zur Reduzierung der Erosionsschäden bei.
Die vorgestellte Methode wird erfolgreich auf das numerische Modell eines Zentrifugalventilators angewendet und führt zu einer Reduzierung von Erosionsschäden an den Rotorblättern um 77 % und damit zu einer erheblichen Verlängerung der Lebensdauer
Caractérisation d'écoulements de cavités à bords asymétriques : application aux équipements de toiture ferroviaire
No full textDans le contexte de l’aérodynamique ferroviaire, l’une des problématiques majeures concerne le développement de solutions écologiques permettant le refroidissement d’équipements de toiture et nécessitant le moins de maintenance possible. L’une des voies de recherche potentielles s’appuie sur le refroidissement par convection forcée basée sur le mouvement de fluide extérieur au travers des équipements lors du déplacement du train. Cela nécessite d’avoir des informations sur le comportement dynamique de l’écoulement au voisinage de ces derniers. Ces éléments chauffants sont généralement positionnés de façon proche les uns des autres, pour des considérations d’encombrement, donnant naissance à une succession de cavités profondes à bords non affleurants. Malheureusement ce type d’écoulement de cavité n’est quasiment pas étudié dans la littérature bien qu’il présente de fortes variations par rapport à ses homologues dits “symétriques”. Les écoulements de cavités génèrent également des instationnarités associées à des phénomènes de décollement complexes qui peuvent engendrer divers types de nuisances, comme par exemple du bruit rayonné ou des vibrations de structures. Dans la perspective du contrôle d’écoulement avec pour objectif le refroidissement de certaines zones dites “thermiquement mortes”, nous nous sommes intéressés à la dynamique des écoulements au voisinage des cavités à bords asymétriques, pour ensuite aborder le phénomène d’oscillation hydrodynamique potentiellement induite, en portant une attention particulière aux cas asymétriques. Cette étude a permis de mettre en évidence la persistance de modes propres pour les cas d’asymétrie et également de proposer une adaptation du modèle de Rossiter aux écoulements de cavité profonde asymétrique.In the framework of railway aerodynamics, one of the major problems concerns the development of ecological solutions for cooling roof equipment requiring the least maintenance as possible. One of the potential way of improvement relies on forced convection cooling based on the movement of external fluid through the equipment when the train moves. This requires the knowledge of the dynamic behavior of the flow. These heating elements are generally positioned close to each other for reasons of space, giving rise to a succession of deep cavities with non-flush edges. Unfortunately, this type of cavity flow is almost not studied in the literature although it has strong variations compared to the “symmetrical” cases. Cavity flows also generate instationnarities associated with complex separation phenomena that can generate various types of noises, such as acoustic noise or structural vibrations. In the perspective of flow control in the aim to cool some areas called “thermally dead”, we are interested into the flow dynamics at the vicinity of the cavities with asymmetric edges, and then address the phenomenon of hydrodynamic oscillation potentially induced, with a particular attention to asymmetric cases. This study made it possible to highlight the persistence of modes for asymmetric cases and also to propose an adaptation of the Rossiter model to asymmetric deep cavity flows
Thermal stress modeling of solid oxide fuel cell stacks based on multiphysics numerical method
No full textMechanical failure and performance degradation found in solid oxide fuel cell (SOFC) are often related to higher thermal stress generated in operating procedures. In this chapter, various numerical studies in this topic are summarized and outlined in terms of modeling and simulation methods. As a case study, a multiphysical coupled model is applied and presented aiming to explore and analyze the thermal stress distribution and the stack operating parameters effects (e.g., the gas composition, current, and temperature distribution). The effects of the stack design parameters are also investigated for different flow channels (i.e., coflow and counter-flow), electrolyte layer thickness, manifold position, etc. This chapter provides a valuable reference in evaluating the thermal behavior and effects on the electrochemical cells/stacks.</p
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Get PDFThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Étude de contrôle des écoulements
No full textTo improve the aerodynamic performance particularly in the field of transport (aerospace, automotive, ..), the flow control is a promising solution for rupture. It presents at the same time a major stake for industry and a challenge for the scientists. The fallout aimed by control (particularly active control) are of an at the same time economic (reduction of consumption) and environmental (decrease of greenhouse gases). The effectiveness of control is closely related to the actuator used. The fluidic actuators and particularly the synthetic jet appear to be a promising technique for progress. The objective of this work is the development, validation and implementation of this type of actuator. We thus designed an actuator of the synthetic jet type based on a loudspeaker. The performances of this actuator were estimated in a quiescent environment. Both hot wire anemometer and the Particle Image Velocimetry (PIV) are used. The effects of different parameters were analyzed (frequency, amplitude forcing, ...). Particular attention has been devoted to the study of the inclination of the ejection slot. Three angles were used (30 °, 45 ° and 90 °). In each case the development of synthetic jet and the vortices have been characterized. By the same techniques of measurement in a wind tunnel, we have studied the interaction of the synthetic jet with a transverse flow. Visualizations by smoke control detachment by the actuator to show his ability to pick up the flow.Pour améliorer les performances aérodynamiques notamment dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ..), le contrôle des écoulements constitue une solution de rupture prometteuse. Il présente à la fois un enjeu majeur pour l'industrie et un défi pour les scientifiques. Les retombées visées par le contrôle (notamment actif) sont d'ordre à la fois économique (réduction de la consommation) et environnemental (diminution des gaz à effet de serre). L'efficacité du contrôle est intimement liée à l'actionneur utilisé. Les actionneurs fluidiques et tout particulièrement le jet synthétique, semblent être une technique prometteuse de progrès. L'objectif de ce travail est le développement, la validation et la mise en œuvre de ce type d'actionneur. Nous avons ainsi conçu un actionneur de type jet synthétique basé sur un haut parleur. Les performances de cet actionneur ont été évaluées dans un milieu au repos en utilisant à la fois l'anémométrie à fil chaud et la PIV. Les effets des différents paramètres ont été analysés (fréquence, amplitude de forçage, …). Une attention particulière a été consacrée à l'étude de l'inclinaison de la fente d'éjection. Trois inclinaisons ont été utilisées (30°, 45° et 90°). Dans chaque cas l'évolution du jet synthétique ainsi que celle des tourbillons ont été caractérisées. Par les mêmes techniques de mesure dans une soufflerie, nous avons étudiés l'interaction du jet synthétique avec un écoulement transverse. Des visualisations par fumée du contrôle du décollement par cet actionneur montrent ses capacités à pouvoir recoller l'écoulement
Étude de contrôle des écoulements
Get PDFPour améliorer les performances aérodynamiques notamment dans le domaine des transports (aéronautique, automobile, ..), le contrôle des écoulements constitue une solution de rupture prometteuse. Il présente à la fois un enjeu majeur pour l'industrie et un défi pour les scientifiques. Les retombées visées par le contrôle (notamment actif) sont d'ordre à la fois économique (réduction de la consommation) et environnemental (diminution des gaz à effet de serre). L'efficacité du contrôle est intimement liée à l'actionneur utilisé. Les actionneurs fluidiques et tout particulièrement le jet synthétique, semblent être une technique prometteuse de progrès. L'objectif de ce travail est le développement, la validation et la mise en œuvre de ce type d'actionneur. Nous avons ainsi conçu un actionneur de type jet synthétique basé sur un haut parleur. Les performances de cet actionneur ont été évaluées dans un milieu au repos en utilisant à la fois l'anémométrie à fil chaud et la PIV. Les effets des différents paramètres ont été analysés (fréquence, amplitude de forçage, …). Une attention particulière a été consacrée à l'étude de l'inclinaison de la fente d'éjection. Trois inclinaisons ont été utilisées (30°, 45° et 90°). Dans chaque cas l'évolution du jet synthétique ainsi que celle des tourbillons ont été caractérisées. Par les mêmes techniques de mesure dans une soufflerie, nous avons étudiés l'interaction du jet synthétique avec un écoulement transverse. Des visualisations par fumée du contrôle du décollement par cet actionneur montrent ses capacités à pouvoir recoller l'écoulement. ABSTRACT : To improve the aerodynamic performance particularly in the field of transport (aerospace, automotive, ..), the flow control is a promising solution for rupture. It presents at the same time a major stake for industry and a challenge for the scientists. The fallout aimed by control (particularly active control) are of an at the same time economic (reduction of consumption) and environmental (decrease of greenhouse gases). The effectiveness of control is closely related to the actuator used. The fluidic actuators and particularly the synthetic jet appear to be a promising technique for progress. The objective of this work is the development, validation and implementation of this type of actuator. We thus designed an actuator of the synthetic jet type based on a loudspeaker. The performances of this actuator were estimated in a quiescent environment. Both hot wire anemometer and the Particle Image Velocimetry (PIV) are used. The effects of different parameters were analyzed (frequency, amplitude forcing, ...). Particular attention has been devoted to the study of the inclination of the ejection slot. Three angles were used (30 °, 45 ° and 90 °). In each case the development of synthetic jet and the vortices have been characterized. By the same techniques of measurement in a wind tunnel, we have studied the interaction of the synthetic jet with a transverse flow. Visualizations by smoke control detachment by the actuator to show his ability to pick up the flow
Étude des écoulements monophasiques et diphasiques dans les élargissements brusques axisymétrique et bidimensionnel
No full textTexte intégral accessible uniquement aux membres de l'Université de LorraineNot availableCe travail traite d'une étude théorique et expérimentale sur les écoulements monophasiques et diphasiques (à bulles) dans les élargissements brusques. Deux configurations d'élargissement ont été étudiées: l'une est axisymétrique verticale et l'autre bidimensionnelle horizontale. À travers ces singularités, une approche globale qui détermine la chute de pression singulière a été développée, et une étude expérimentale a été réalisée sur la dynamique des phases liquide et gazeuse. Dans l'élargissement brusque vertical axisymétrique, l'écoulement est symétrique. Les grandeurs mesurées concernent la vitesse axiale du liquide en écoulement monophasique et le taux de vide, la vitesse axiale des bulles et la granulométrie des bulles en écoulement diphasique. Au voisinage immédiat de la singularité, ces résultats expérimentaux locaux ont permis de donner la tendance générale de la réorganisation de l'écoulement monophasique et diphasique. Pour l'élargissement brusque bidimensionnel horizontal, la visualisation de l'écoulement a joué un rôle important dans la compréhension des phénomènes de transition d'un écoulement complètement dissymétrique vers un écoulement symétrique. En écoulement monophasique, l'étude expérimentale a concerné la pression et la vitesse axiale du liquide mesurée par un film chaud. Dans cet écoulement, la dissymétrie de l'écoulement n'a pas de cote préférentiel pour son orientation. En écoulement diphasique, la transition vers un écoulement symétrique se fait par augmentation progressive du débit de gaz pour un débit de liquide fixe. Les résultats expérimentaux relatifs à ce type de singularité en écoulement à bulles concernent le taux de vide, les vitesses axiales de chacune des phases et la granulométrie des bulles. Ces grandeurs nous ont permis de décrire d'une part les structures locales de l'écoulement diphasique et d'autre part de vérifier ce qui a été obtenu par la visualisation
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