Plateforme MechaniCS - Mécanique des fluides, matériaux, biomécanique, Conception et Simulation

Mécanique des Fluides

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Le plateau de Mécanique des fluides comprend trois catégories :

  1. Hydraulique des grosses ouvrages/assainissement
  2. Caractérisation des fluides
  3. Mesures en situ / terrain

Dans chaque catégorie différents équipements sont à disposition pour caractériser un cours/ouvrage d'eau

HYDRAULIQUE DES GROS OUVRAGES / ASSAINISSEMENT

Canal d’écoulement

Le canal d’écoulement de 16 m de long et 1m de largeur à pente variable a une grande bâche de rétention permettant une large plage de débits. Il est équipé d’un banc complet automatisé de mesures des hauteurs d’eau. Différents tests ont été déjà fait avec des entreprises comme Nivus et Ijinus. Ce sont des tests de sondes de hauteur, de vélocimètre et des tests pour la production d’électricité en établissant un régime hydraulique bien défini.


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Une maquette inondation

La maquette a été conçu pour la compréhension du comportement des fluides dans les rues d’une ville. Celui représente une géométrie urbaine à échelle 1/200. Les rues comprennent diffèrent largeurs et angles. On peut manipuler différentes variables hydrauliques, en régime permanent ou continu, des débits moyens jusqu’à conditions d’inondation grâce à 15 pompes volumétriques. Les hauteurs d’eau (par caméra) et des débits dans les rues (par ultrason) sont des mesures automatisées.

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Une boucle d’écoulement

Elle comprend 16m de tronçons de conduite de 2cm, et 10m de 5cm. Elle est alimentée par une pompe volumétrique. L’acquisition des vitesses est faite à l’aide d’un transducteur ultrasonore. La boucle est équipée de 4 capteurs de pression surfacique à pont de jauges de contrainte. Les mesures permettent d’obtenir une évolution temporelle des propriétés rhéologiques des suspensions.

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Bacs de décantation

Une cuve de 12m3 correspond à la taille classique d’un ouvrage pour un réseau séparatif pluvial pour des petits bassins versants. Dans cette cuve le taux d’abattement des diverses particules en suspension, en observant des zones de déposition préférentielle, est mesuré. Une colonne en PEXIGLAS de 120 litres est utilisée pour mesurer la vitesse des particules (faibles et grosses concentrations) en conditions calmes (système fermé sans agitation).

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Filtres compacts à écoulement vertical

Système d’assainissement à matériaux innovantes pour le traitement des eaux non-collectives. Différents matériaux filtrantes (sable, zéolithe) aérées, sont mis à disposition pour faire le traitement des MES et DBO5 de l’eau usée issue d’une maison.

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Permeamètre

Il est constitué de 2 réservoirs, amont et aval, ainsi que d’un récipient contenant l’échantillon de matériau testé. Le flux s’écoule de manière horizontale. Plusieurs mesures de débit doivent être réalisées pour différentes pertes de charge de manière à pouvoir tracer la courbe Q=(Δh). Une régression linéaire permet de déterminer le coefficient de perméabilité.

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Pilote Boues Activées / Membranes

Le pilote a été conçu pour étudier le traitement de l’eau usée en culture libre ou culture fixe. Le réacteur peut être alimenté de manière discontinue à l’aide d’un PLC. Le suivi du pH, oxygène dissous et conductivité est fait en ligne.

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Lagune d’Algues

Un système à haut rendement algal (HRAP) sert à étudier les impacts des différentes conditions opérationnelles sur le traitement des eaux usées par des algues, pour la récupération des nutriments. Le système est capable d’éliminer rapidement les charges élevées de DCO et de TKN.

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Maquette Assainissement

Le pilote a pour but de sensibiliser les étudiants sur le comportement hydraulique des réseaux d’assainissement. Elle est composée d’un bassin versant, de collecteurs transparents, de déversoirs d’orage, d’un bassin de stockage, d’une station de relèvement, et de deux exutoires représentant la station d’épuration et le milieu naturel. Le tout est piloté manuellement par des vannes permettant la visualisation du fonctionnement hydraulique du réseau d’assainissement en temps sec et en temps de pluies.

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CARACTERISATION DES FLUIDES

Dans la plateforme il existe différents laboratoires pour analyser les propriétés des fluides (rhéologie, composition, qualité, vitesses des particules...)

Salle PACELES

La salle PACELES (Plateforme de Conditionnement des Echantillons Liquides et Solides) est un laboratoire destiné aux analyses des solides et liquides :

  • Pour les échantillons solides, on dispose d’un tour de tamisage pour l’analyse granulométrique.
  • Pour les échantillons liquides, on se sert des : spectrophotomètres, turbidimètres, fours, microscopes, balances, centrifugeuses, hottes aspirantes, pour l’analyse de : DCO, Nitrates, Ammonium, MES, MVS, phosphates, et turbidité de l’eau
  • Un microscope STEMI 305 permet la visualisation des échantillons liquides et solides.
  • Une lecture rapide de la quantité des métaux contenue dans des échantillons solides peut être effectué avec un analyseur par fluorescence X (XRF)
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Rhéomètrie et Granulomètrie

Rhéométres.

Ce sont des équipements sophistiqués qui ont un large domaine de moment (0.1μN.m – 200mN.m), haute résolution de tension et un performant control de température. Diverses géométries peuvent être adaptés selon la viscosité du fluide tels que plateaux ou cylindres coniques. Il peut être utilisé pour mesurer la viscosité des fluides comme : eau, polymères, peintures, encres, poudres, huiles, lubrifiants, etc.

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Granulomètre

Le Mastersizer 3000 est un instrument d'analyse pour la mesure des tailles des particules par diffraction laser. La mesure de l’intensité de la lumière diffusée se fait lors du passage d'un faisceau laser à travers un échantillon de particules dispersées. Ces données sont ensuite analysées afin de calculer les tailles des particules qui ont créé le motif de diffusion. Le système est constitué de trois éléments principaux : un banc optique, préparateurs d’échantillons, et un logiciel de l'instrument. La sensibilité de mesure va de l’ordre de nanomètres jusqu’à 3mm. Répond au volume, fraction volume en fonction du diamètre.

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Méthodes optiques/acoustiques pour la mesure des propriétés des fluides

Les méthodes optiques et acoustiques pour la mesure de vitesse des fluides ont l’avantage d'être des mesures non intrusives et donc de ne pas perturber l'écoulement. On considère que les particules traçantes introduites (microbilles, microparticules, solides en suspension) ne perturbent pas l'écoulement et suivent l'écoulement du fluide. Différents techniques/appareils sont disponibles sur la plateforme MechaniCS pour mesurer des vitesses des fluides. Les bulles d'air ou la présence de traceurs (rhodamine, fluorescéine) permettent d'évaluer la dynamique du fluide porteur Différents techniques/appareils sont à disposition pour faire la mesure des vitesses vélocimétrie des fluides :

Technique PIV (Particle Image Velocimetry)

Elle consiste : d'une part d'une Caméra rapide Phantom® MIRO LAB1100 qui enregistre des images avec une vitesse rapide allant de 1600 images par seconde pour une image de 1MPixels (pleine résolution), à beaucoup plus rapide pour une résolution plus faible. Et d'autre part, d’une nappe Laser vert Semiconducteur de forte puissance de 3W et de 520nm de longueur d'onde. L'étendue de la nappe laser obtenue par un système de lentilles est ajustable, ce qui permet de s'adapter à un grand nombre de situations. Un logiciel complète cet l'ensemble, qui permet de calculer les champs de vitesses avec une très bonne résolution, de la vorticité, du champ moyen, des fluctuations....

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Transducteurs ultrasonores

Ils peuvent être utilisés aussi pour mesurer des profils de vitesse dans des fluides. Le transducteur envoie un signal acoustique vers le milieu et reçoit un signal de retour produit par les bulles d'air ou les particules présentes dans le fluide.  L'’effet Doppler permet de déterminer la vitesse du fluide. On peut aussi déterminer les tailles et concentrations des particules en suspension grâce à l’intensité du signal de retour. Différentes fréquences (diamètres des transducteurs = 2.5cm, 1cm) sont à disposition.

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Calage des appareils optiques/acoustiques

Dans la plateforme on assure aussi la fiabilité des mesures des appareils acoustiques et optiques. Leur calibration est réalisée à l’aide de : d'une cuve pétrin Petran, un bac bain de avec déplacement millimétrique, d'oscilloscopes et d'une colonne de mise en suspension.

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Mesure de la turbidité de l’eau

Une sonde turbidimètre solitax SC et la technologie TROT pemettent la détermination quantitative des matières en suspension. La sonde solitax utilise la lumière diffusée infrarouge, la mesure des matières solides se fait indépendamment de la couleur et permet, par exemple,une analyse fiable des boues. La technique TROT sert à faire des mesures de turbidité résolue en temps, cette technique est toujours en cours de développement.


A l’aide d’une sonde solitax et d’un trote la quantité des matières en suspension peut-être déterminée. La sonde solitax utilise la lumière diffusée infrarouge, la mesure des matières solides se fait indépendamment de la couleur et permet aussi une analyse fiable des boues. La trote sert à faire des mesures de turbidité en temps, cette technique est toujours en cours de développement.

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Observation microscopique des fluides

Un système Pompes Seringues (Nemesys, Cetoni) permet d'avoir des débits de liquides dans le domaine des nanolitres. Ce système est couplé à des caméras Haute-Sensibilité PCO PANDA ce qui permet des mesures microfluidiques en micro-canaux ainsi que de la microscopie fluorescente en écoulement ou non. 

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Mesure de champ de température par fluorescence induite par laser (LIF)

La technique LIF (Laser Induced Fluorescence) utilise la dépendance en température de certains colorants fluorescents pour remonter au champ de vitesses. Par un choix de colorants fluorescents fortement dépendants de la température (Fluorescéine, Rhodamine B, sulforhodamine...), d'une nappe laser de longueur d'onde approprié, de filtres optiques et de caméras haute sensibilité comme les caméras Scmos PCO Panda, il est possible de mesurer un champ de température de manière non intrusive.

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MESURES IN SITU / TERRAIN

L’étude des mécanismes d’action des contaminants au sein des hydro-systèmes est une réponse à la Directive Cadre sur l’Eau, définissant une politique communautaire de gestion et de protection des eaux. Pour cela des stations météo, débitmètres, radiomètres, sondes multiparamètres, thermomètres on était installés en différents sites. Des études de traçage sont élaborés aussi pour comprendre l’hydrodynamique du système :

  • Site Ostwald. Filtre à écoulement horizontal et marre pour étudier l’abattement de la pollution d’origine atmosphérique et géochimique.
  • Site Wolfisheim. 3 fluorimètres pour faire des études de tracage dans les milieux. Et 3 sondes YSI pour mesurer : pH, conductivité, turbidité…
  • Site Langensoultzbach. Étude de la dynamique de la température dans un cours d’eau dans le nord des Vosges.
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