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Transport éolien de particules cohésives
No full textsupervisors Alexandre Valance (department of divided matter) and Ahmed Ould El Moctar (LTeN Nantes)sous la direction de Alexandre Valance dans le département de milieux divisés et Ahmed Ould El Moctar du LTeN Nante
Thermal rating of offshore cables installed in a J-tube
No full textAvec le développement des énergies offshore, les producteurs se heurtent à la contrainte thermique que subit le câble dans un Jtube. Ce conduit vertical, accompagnant la liaison électrique du fond de la mer vers les hauteurs des plateformes éoliennes ou pétrolières, a pour rôle d’assurer sa protection mécanique contre l’environnement (vagues, vents). Or, dans la section émergée, le tube enferme le câble avec de l’air, provoquant une montée en température de celui-ci. Afin de limiter cette surchauffe, le câble est surdimensionné, occasionnant ainsi une augmentation de la section des âmes en cuivre, et ce pour l’ensemble du réseau électrique en mer. Les travaux de cette thèse, ont pour but d’apporter une compréhension des phénomènes thermiques, de fournir une méthode de dimensionnement du câble, ainsi que de proposer de potentielles solutions techniques. Pour ce faire, un modèle numérique a été mis en place basé sur la méthode nodale. Afin d’en vérifier la validité, le modèle a été comparé d’une part avec la littérature, puis d’autre part avec des mesures de température effectuées durant une année complète sur une plateforme aujourd’hui en activité. De plus, dans le but de prendre en compte les phénomènes 2D comme la stratification de la température de l’air dans le tube, une maquette expérimentale reprenant par similitude un J-tube a été montée en laboratoire. Des corrélations de la convection naturelle en ont été tirées et des simulations numériques ont été réalisées à l’aide de logiciels libres développés par EDF. Le modèle a été alors amélioré, désormais capable d’estimer localement les températures, montrant notamment que les contraintes thermiques se situent à 80 % de la hauteur. Une analyse de sensibilité par indices de Sobol a été réalisée, et des pistes d’amélioration ont alors été proposées grâce à ce modèle simple.With the development of offshore energies, producers are confronted with the thermal limiting point that the cable undergoes in a J-tube. This vertical conduit, accompanying the electrical connection from the bottom of the sea to the heights of wind or oil platforms, has the role of ensuring its mechanical protection against the environment (waves, winds). However, in the emerged section, the tube encloses the cable with air, causing a rise in temperature. In order to limit this overheating, the cable is oversized, resulting in an increase in the cross-section of the copper cores, and this for the entire offshore electrical network. The present thesis aims to provide an understanding of thermal phenomena, to deliver a method of cable rating, and to propose potential technical solutions. A numerical model was set up based on the thermal network. In order to validate this model, it was compared with the literature and temperature measurements carried out over a full year on a platform that is currently active. Moreover, in order to take into account 2D phenomena such as the temperature stratification of the air in the tube, an experimental setup resembling a J-tube was designed and constructed in the laboratory. Correlations of the natural convection have been drawn and numerical simulations have been performed using free software developed by EDF. The model was then improved, now capable of estimating local temperatures, and showing a thermal limiting point at 80% of height. A sensitivity analysis by Sobol indices was performed, and improvement solutions were then proposed thanks to this simple model
Transport de particules non-sphériques et cohésives dans une couche limite turbulente d'air [Soutenance 17.12.2020]
No full textsupervisors Alexandre Valance (department of divided matter) ,Florence Naaim and Ahmed Ould el moctar.sous la direction de Alexandre Valance dans le département de milieux divisés et de Florence Naaim et de Ahmed Ould el moctar
Sujet de thèse en cours : Transport de particules non-sphériques et cohésives dans une couche limite turbulente d'air
No full textsupervisors Alexandre Valance (department of divided matter) ,Florence Naaim and Ahmed Ould el moctar.sous la direction de Alexandre Valance dans le département de milieux divisés et de Florence Naaim et de Ahmed Ould el moctar
Water Vapor Transport Across an Arid Sand Surface—Non‐Linear Thermal Coupling, Wind‐Driven Pore Advection, Subsurface Waves, and Exchange With the Atmospheric Boundary Layer
No full textThese files contain data and other outputs supporting all results reported in Louge et al. Water vapor transport across an arid sand surface - non-linear thermal coupling, wind-driven pore advection, subsurface waves, and exchange with the atmospheric boundary layer. In Louge et al., we found:
Deserts inhale and exhale water vapor through their surface. Although this process affects the water balance over vast sand seas, it is poorly understood for want of sensitive instruments. We discover how it operates using a new probe that detects tiny amounts of moisture on sand grains.
Our analysis reveals that vapor infiltration is considerably slower in dry sand, and that wind flowing over a dune creates weak internal air currents contributing to the transport of moisture. Their strength depends on dune location, wind speed and direction.
When wind is strong enough to let dry sand meander over a dune, the resulting rapid variation in surface moisture sends evanescent waves of humidity downward. An analysis of these waves implies that water evaporation from individual sand grains behaves like a slow chemical reaction.
The exchange of moisture with the atmosphere is not always driven by the difference between humidity at the dune surface and in the ambient, as current models assume, and it is weaker than they predict.
In future, the new probe can be used as ground truth to calibrate satellite observations over deserts, explore extra-terrestrial environments holding scant water, and detect moisture contamination in pharmaceutical products.This paper was made possible by the support of NPRP grants 09-546-2-206 and 6-059-2-023 from the Qatar National Research Fund, and by a Qatar Foundation Research Excellence Award
Effet de la bio-colonisation sur le comportement thermique des câbles électriques dynamiques des éoliennes flottantes
No full textLes projets d’éoliennes flottantes se développent à l’échelle mondiale de manière prometteuse. Un de leurs composants clés est le câble dynamique de puissance permettant le raccordement des éoliennes à leur sous-station électrique et au réseau énergétique sous-marin. Parmi les effets les moins connus et qui peut être les plus impactant figure la bio colonisation. On entend par bio colonisation le développement de concrétions marines (algues, moules, huîtres) qui peuvent atteindre plusieurs dizaines de centimètres d’épaisseur. Par l'effet d'écran thermique, de masse additionnelle et de modification de la rugosité, la bio colonisation va impacter le comportement du câble dynamique. Parmi les effets majeurs on note les sollicitations hydrodynamiques modifiant d’une part leur tenue mécanique notamment en situation de tempête ou d’autre part leur fatigue. Ces dégradations du câble sont accentuées lors de l’accroissement de sa température d’où la nécessité de comprendre l’effet de la biocolonisation sur les transferts thermiques autour du câble. Ce sujet très peu abordé dans la littérature a été l’objet de cette thèse. Des échantillons de moules avec différents stades de maturité (juvénile, adulte ou mixte) ont été prélevés sur site marin afin de réaliser des mesures de conductivité thermique équivalente. L’effet de la présence d’un écoulement forcé à travers l’échantillon de moules (milieu avec pores ouverts) a été étudié afin de prendre en compte la présence d’un éventuel courant marin. Des mesures complémentaires de perméabilité de ce milieu ont été réalisées. Enfin, en utilisant les mesures de caractérisation thermique, les champs de température au sein du câble sous-marin en présence de biocolonisation ont pu être simulés numériquement. Par ailleurs la problématique de la surveillance sur site marin de la croissance de la biocolonisation a été abordée en proposant un dispositif thermique original à installer sur les câbles sous-marins afin de périodiquement évaluer l’épaisseur ou les caractéristiques de la biocolonisation. Ce travail a été réalisé dans le cadre du projet BIODYTHERM financé par WEAMEC, West Atlantic Marine Energy Community, et avec un financement du Pays Région de la Loire. Il fait également partie du projet OMDYN-2 : Ombilicaux dynamiques pour les énergies marines renouvelables flottantes accordé par France Energies Marines et l'Agence nationale de la recherche.Floating wind turbine projects are developing on a global scale in a promising way. One of their key components is the dynamic power cable allowing the connection of the wind turbines to their electrical substation and to the underwater energy network. Among the least known effects and which can be the most impacting is biocolonization. By biocolonization we mean the development of marine concretions (algae, mussels, oysters) which can reach several tens of centimeters in thickness. By the effect of heat shield, additional mass and modification of the roughness, the bio colonization will impact the behavior of the dynamic cable. Among the major effects we note the hydrodynamic stresses modifying on the one hand their mechanical strength, particularly in stormy situations, and on the other hand their fatigue. These degradations of the cable are accentuated during the increase in its temperature, hence the need to understand the effect of biocolonization on the heat transfers around the cable. This subject, very little addressed in the literature, was the subject of this thesis. Samples of mussels with different stages of maturity (juvenile, adult or mixed) were taken from the marine site in order to carry out measurements of equivalent thermal conductivity. It is therefore necessary to understand the role of biocolonization, in its variability, to integrate studies on particular components. This thesis focuses on the thermal effect of biocolonisation (mussels( on the dynamic electric cable. The thermal characteristics for different ages of the mussels were measured and their thermal effect around the dynamic electric cable was simulated. Moreover, an original method for monitoring the growth of biocolonization around the dynamic underwater electric cable has been proposed using an original thermal sensor. This work was carried out within the framework of the BIODYTHERM project funded by WEAMEC, West Atlantic Marine Energy Community, and with funding from Pays Région de la Loire. is also part of the OMDYN-2 project: Dynamic umbilicals for floating marine renewable energies granted by France Energies Marines and the National Research Agency
Synthèse en microréacteur de nanoparticules à base de titane
No full textDes nanoparticules à basede titane dispersées dans des sols ou des gels avec une distribution de taille étroite permettent l’exacerbation des propriétés photochimiques de films photosensibles. Utilisés comme absorbeurs solaires dans les photobatteries, ils permettraient la conversion et le stockage de l'énergie solaire sous forme électrochimique. Dans ce travail, ces matériaux nanostructurés ont été produits par l'hydrolyse de TiOCl2,1.4HCl,7H2O dans du N, N-diméthylformamide (DMF),à l'intérieur d'un microréacteur afin d’assurer un meilleur contrôle en température et de confiner les fluides. En fonction du temps de vieillissement ou par étuvage, cette hydrolyse conduit à l’obtention de sols et de gels constitués de nanoparticules dispersées dans le solvant. La signature thermique de l’hydrolyse du TiOCl2en microréacteur observée par caméra infrarouge montre des instabilités de l'écoulement préjudiciables au contrôle de la taille des nanoparticules. Ceproblème a été finalement résolu par la pré-dilution de TiOCl2 avec du DMF. Par ailleurs, l'usage d'un procédé actif de mélange(champ électrique) a permis d'accélérer la réaction d’hydrolysedu TiOCl2pré-dilué ou pur pour certaines valeurs des conditions opératoires par ex. 7 VAC, 1MHz et ceci sans constater d’effets parasites (électrolyse de l’eau et formation d’ions Ti3+). Finalement,les nanoparticules produites ont été analysées en utilisant la technique de diffusion dynamique de la lumière. Une taille moyenne de nanoparticules s'étendant de 5 à 50 nma été obtenueavec du TiOCl2 pré-dilué, celle-ci dépendant de la vitesse d'écoulement, de l’âge des échantillons etde laprésence ou non de champ électrique.Ti-based nanoparticles dispersed in solutions or gels with narrow size distribution may constitute innovative materials as absorbers in new devices such as photobatteries, allowing conversion and electrochemical storage of solar energy. In our work, these nanostructured materials were produced inside a microreactor by hydrolysis of TiOCl2 stabilized in aqueous HCl solution reacting with N,N-dimethylformamide (DMF). The use of a microreactor aims at providing a better temperature control and also a confinement of the reactive fluids. The thermal signature of the hydrolysis of TiOCl2 recorded by an infrared camera shows flow instabilities detrimental to the control of nanoparticle sizes. This problem was solved by the pre-dilution of TiOCl2 with DMF in the following proportion 0.52 DMF/Ti (16.7% vol. DMF).Otherwise, the use of an active mixing process based on an electric field implemented inside the microreactor has clearly shown the acceleration of the hydrolysis of TiOCl2without generating parasitic effects(water splitting,formation of Ti3+ions), if operating conditions are adequately chosen (for ex. 7 V AC and 1 MHz). Finally, using Dynamic Light Scattering, an average size of nanoparticles ranging from 5 to 50 nm for pre-diluted TiOCl2 with 16.7% vol. DMFwas obtained depending on flow rates, ageing of samples and implementation or not of an AC electric field
Study on cohesive aeolian sand transport : Coastal dune dynamic application
No full textDans le cadre d’une étude du transport éolien sur une dune littoral, je me suis intéressé aux effets de la cohésion sur le transport éolien du sable. Cette étude a été menée sur deux fronts : (i) des expériences contrôlées en laboratoire et (ii) des mesures in situ sur la dune côtière du Truc Vert (Aquitaine). (i) L’étude du transport de sable cohésif en soufflerie a utilisé des mélanges sable-huile permettant de s’affranchir du phénomène d’évaporation. Pour des teneurs en huile faibles (<0,4%), l’effet de la cohésion sur l’augmentation du seuil d’érosion aérodynamique est très important alors qu’il est négligeable sur le seuil d’érosion par impact. L’initiation du transport est ralentie avec la cohésion et présente un caractère intermittent. Le transport évolue ensuite vers une valeur d’équilibre qui est identique au cas sec. La longueur nécessaire pour atteindre cette valeur d’équilibre croît avec la cohésion. (ii) Les campagnes de mesures in-situ ont permis de caractériser l’écoulement et le transport sur un transect de la dune côtière. Les variations du frottement sont dominées par la végétation, la topographie de la dune ne jouant qu’un rôle mineur. Les mesures de transport sur la dune permettent d’extraire une loi pour le flux moyen en fonction de la vitesse. Celle-ci est relativement robuste et dépend peu du niveau de pluviométrie, et encore moins de l’humidité de l’air. En comparant cette loi avec celle obtenue en soufflerie, on trouve des niveaux de flux similaires mais une valeur plus grande du seuil de transport.I In the framework of a study of wind transport on a coastal dune, I was interested in the effects of cohesion on the aeolian sand transport. This study was conducted on two fronts: (i) controlled laboratory experiments and (ii) in-situ measurements on the Truc Vert coastal dune (Aquitaine). (i) The study of cohesive sand transport in a wind tunnel used sand-oil mixtures that do not allow evaporation. For low oil contents (<0.4%), the effect of cohesion on the increase of the aerodynamic erosion threshold is very important whereas it is negligible on the impact erosion threshold. The initiation of transport is slowed down with increasing cohesion and present an intermittent character. The transport then evolves towards an equilibrium value, which is identical to the dry sand case. The length to reach this equilibrium value increases with increasing cohesion. (ii) The in-situ measurements allowed the characterisation of the flow and transport on a transect of the coastal dune. The variations in friction are dominated by the vegetation, the topography playing a minor role. The transport measurements on the dune allows the extraction of a relatively robust law for the mean mass flux as a function of the air velocity. The latter depends weakly on the level of rainfall and even fewer on air humidity. The comparison between the transport laws in field and in wind tunnel indicates similar flux levels but the transport threshold in the field is higher than that found in wind-tunnel experiments
Aeolian erosion thresholds for cohesive sand
No full textThese are datastet corresponding to the article entitled "Aeolian erosion threshold for cohesive sand" by J.-B Besnard, P. Dupont, A. Ould El Moctar and A. Valance.
The data set are stored in an excel file which is made of four different sheets corresponding to the data from Figure 2a, Figure 3, Figure 4 and Figure 5a of the article
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