Équipe MécaFlu - Mécanique des Fluides

Offres de thèses

De Équipe MécaFlu - Mécanique des Fluides
(diff) ← Version précédente | Voir la version actuelle (diff) | Version suivante → (diff)
Sauter à la navigation Sauter à la recherche

Contribution au développement d’une instrumentation opto-acoustique pour l’étude du transport sédimentaire

CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2021 - ED 269 MSII

Que ce soit du point de vue Européen, ou plus récemment dans le cadre des objectifs du développement durable des Nations Unies, une priorité est d'assurer la disponibilité et la gestion durable de l'eau et de l'assainissement. Une gestion optimale des eaux de surface nécessite l’évaluation de la charge de matières en suspension (MES) présents dans les écoulements urbains et naturels. Une mesure en temps réel de la concentration en MES, potentiellement polluantes, est typiquement obtenue par l’intermédiaire de la turbidité optique, technique de mesure massivement déployée sur le terrain.
Des publications récentes [ (Rymszewicz, et al., 2017), (Voichick, Topping, & Griffiths, 2017)] ainsi que nos propres travaux se basant sur des mesures optiques et acoustiques conjointes (Pallarès, Burckbüchler, Fischer, & Schmitt, 2017), révèlent des incohérences dans les données optiques. Dans des situations exceptionnelles, comme des périodes pluvieuses en assainissement ou encore des crues en rivière, les données de turbidité optique sont sujettes à caution et peuvent conduire à une sous-estimation massive de la concentration des matières en suspension. Afin de quantifier l’évolution de concentration et/ou de taille des particules en suspension, nous souhaitons combiner les signaux acoustiques multi-fréquentiels à ceux de turbidité optique résolue en temps.

Effectivement, avec le soutien de la SATT-Conectus, notre équipe est actuellement engagée dans la maturation d’une nouvelle technique de mesure en temps réel des concentrations en MES, fiable même en situation exceptionnelle et peu onéreuse destinée aux gestionnaires d’hydro-systèmes.
Par conséquent, le but visé par cette thèse est l’élaboration d’une nouvelle approche instrumentale basée sur la combinaison des signaux acoustiques et optiques résolus en temps, permettant ainsi une estimation simultanée de la concentration et de la taille des MES. La finalité de ces travaux serait la livraison d’un prototype d’une instrumentation innovante capable de proposer des mesures de turbidité et/ou de concentrations conjointement à des estimations de taille des MES. A l’heure actuelle, il n’existe qu’un seul instrument mixte mono-fréquentiel permettant ce type de mesures (Agrawal, Portsmith, Dana, & Mikkelsen, 2019). Outre l’acquisition de données expérimentales, cette thèse focalisera sur la combinaison des données optiques et acoustiques afin de proposer des modèles simples reliant le signal aux concentrations et à la taille des particules en suspension.

Ces travaux seront effectués en étroite collaboration entre les équipes MécaFlu et SMH du Laboratoire ICube à Strasbourg. L’équipe MécaFlu maîtrise la mesure acoustique, le développement instrumental et dispose de l’expertise de traitement et d’interprétation des signaux ; l’équipe SMH maîtrise l’approche optique résolue en temps ultrarapide à faible coût dérivée de ses recherches sur l’imagerie médicale par voie optique.


Contact : A. Pallarès anne.pallares@unistra.fr

[Agrawal 2019] Agrawal, Y. C., Portsmith, H. C., Dana, D., & Mikkelsen, O. A. (2019). Super-Turbidity Meter: LISST-AOBS Combines Optical Turbidity with Acoustics. E-proceedings of the 38th IAHR World Congress. Panama.

[Pallarès 2017] Pallarès A. Burckbuchler M., Fischer S., Schmitt P. (2017) Suspended Sediment Monitoring: Comparison between Optical and Acoustic Turbidity, Proceedings of the 14th International Conference on Urban Drainage, Prague, 10-15 September 2017.

[Rymszewicz 2017] Rymszewicz, A., O'Sullivan, J. J., Bruen, M., Turner, J. N., Lawler, D. M., Conroy, E., & Kelly-Quinn, M. (2017). Measurement differences between turbidity instruments, and their implications for suspended sediment concentration and load calculations: A sensor inter-comparison study. Journal of Environmental Management, 199, 99.

[Voichick 2017] Voichick N., Topping D.J, GriffithsR.E., (2018) Technical Note: False low turbidity readings during high suspended sediment concentrations, Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss.

Détermination des concentrations de matières en suspension en rivière et réseau d’assainissement par spectroscopie acoustique multi-moments

CAMPAGNE DE RECRUTEMENT 2020 - ED 269 MSII

La mesure en continu des concentrations en matières en suspension constitue un enjeu crucial dans de nombreuses applications industrielles ainsi que pour l‘étude plus fondamentale des mécanismes du transport solide. Parmi les applications majeures on peut noter : la mesure du transport de sédiments par les rivières lors de crues ou de chasses de barrage, la détermination des rejets particulaires au milieu naturel lors du fonctionnement de déversoirs d’orage ou encore l’optimisation de la gestion des usines d’eau potable ou des stations d’épuration. A l’heure actuelle la seule mesure en continue disponible et applicable « in situ » est basée sur la turbidité optique, technique qui nécessite la connaissance préalable de la granulométrie des particules. Le plus souvent la seule technique fiable de mesure consiste à effectuer des prélèvements puis à analyser les échantillons en laboratoire, méthode à la fois onéreuse et ne fournissant que des informations ponctuelles spatialement et temporellement.

Une nouvelle technique de mesure est basée sur la spectroscopie acoustique. Les spectres d’intensités moyennes rétrodiffusées pour un certain nombre de fréquences ultrasonores sont analysés pour déterminer simultanément la concentration totale et la distribution granulométrique des particules. Il a été démontré aussi bien théoriquement qu’expérimentalement qu’une telle démarche ne peut donner de résultats satisfaisants que dans la mesure où l’ensemble des particules ont sensiblement les mêmes géométries et impédances acoustiques. Or les particules présentes dans la plupart des suspensions naturelles présentent une large diversité de caractéristiques acoustiques rendant ainsi insuffisante la seule analyse des spectres d’intensité moyenne rétrodiffusées. Une première amélioration de la détermination granulométrique peut être obtenue par la prise en compte additionnelle du spectre d’atténuation mais s’avère encore insuffisante.

Ce projet de thèse a pour objectif l’amélioration des méthodes de mesure de concentration par spectroscopie ultrasonore un intégrant les moments d’ordres supérieurs à 1 dans l’analyse des caractéristiques acoustiques et granulométriques des particules et leur application aux mesures de matières en suspension en rivières et réseaux d’assainissement. En effet, à ce jour, seule l’intensité rétrodiffusée moyenne (moment d’ordre 1) est utilisée dans l’analyse granulométrique, or les moments d’ordre supérieurs sont eux aussi porteur d’une information indépendante et « gratuite » en termes de capteur. Cette information supplémentaire doit permettre de mieux prendre en compte la diversité des types de particules présentes dans les suspensions naturelles


Contact : P. Francois pierre.francois@unistra.fr

Thollet, F., Le Coz, J., Antoine, G., François, P., Saguintaah, L., Launay, M., Camenen, B. Influence of grain size changes on the turbidity measurement of suspended solid fluxes in watercourses Influence de la granulométrie des particules sur la mesure par turbidimétrie des flux de matières en suspension dans les cours d'eau](2013) Houille Blanche, (4), pp. 50-56.

Larrarte, F., François, P.“Attenuation of an ultrasonic beam by suspended particles and range of acoustic flow meters in sewer networks”(2012) Water Science and Technology, 65 (3), pp. 478-483.

Pallarès, A., François, P., Pons, M.-N., Schmitt, P.“ Suspended particles in wastewater: Their optical, sedimentation and acoustical characterization and modelling ”(2011) Water Science and Technology, 63 (2), pp. 240-247