Développement de techniques analytiques pour la détermination des agents anti-infectieux dans les eaux environnementales

Les agents anti-infectieux sont utilisés pour traiter ou prévenir les infections chez les humains, les animaux, les insectes et les plantes. L’apparition de traces de ces substances dans les eaux usées, les eaux naturelles et même l’eau potable dans plusieurs pays du monde soulève l’inquiétude de la communauté scientifique surtout à cause de leur activité biologique. Le but de ces travaux de recherche a été d’étudier la présence d’anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées (c.-à-d. eaux usées, eaux naturelles et eau potable) ainsi que de développer de nouvelles méthodes analytiques capables de quantifier et confirmer leur présence dans ces matrices. Une méta-analyse sur l’occurrence des anti-infectieux dans les eaux environnementales contaminées a démontré qu’au moins 68 composés et 10 de leurs produits de transformation ont été quantifiés à ce jour. Les concentrations environnementales varient entre 0.1 ng/L et 1 mg/L, selon le composé, la matrice et la source de contamination. D’après cette étude, les effets nuisibles des anti-infectieux sur le biote aquatique sont possibles et ces substances peuvent aussi avoir un effet indirect sur la santé humaine à cause de sa possible contribution à la dissémination de la résistance aux anti-infecteiux chez les bactéries. Les premiers tests préliminaires de développement d’une méthode de détermination des anti-infectieux dans les eaux usées ont montré les difficultés à surmonter lors de l’extraction sur phase solide (SPE) ainsi que l’importance de la sélectivité du détecteur. On a décrit une nouvelle méthode de quantification des anti-infectieux utilisant la SPE en tandem dans le mode manuel et la chromatographie liquide couplée à la spectrométrie de masse en tandem (LC-MS/MS). Les six anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime, ciprofloxacin, levofloxacin, clarithromycin et azithromycin) ont été quantifiés à des concentrations entre 39 et 276 ng/L dans les échantillons d’affluent et d’effluent provenant d’une station d’épuration appliquant un traitement primaire et physico- chimique. Les concentrations retrouvées dans les effluents indiquent que la masse moyenne totale de ces substances, déversées hebdomadairement dans le fleuve St. Laurent, était de ~ 2 kg. En vue de réduire le temps total d’analyse et simplifier les manipulations, on a travaillé sur une nouvelle méthode de SPE couplée-LC-MS/MS. Cette méthode a utilisé une technique de permutation de colonnes pour préconcentrer 1.00 mL d’échantillon dans une colonne de SPE couplée. La performance analytique de la méthode a permis la quantification des six anti-infectieux dans les eaux usées municipales et les limites de détection étaient du même ordre de grandeur (13-60 ng/L) que les méthodes basées sur la SPE manuelle. Ensuite, l’application des colonnes de SPE couplée de chromatographie à débit turbulent pour la préconcentration de six anti-infectieux dans les eaux usées a été explorée pour diminuer les effets de matrice. Les résultats obtenus ont indiqué que ces colonnes sont une solution de réchange intéressante aux colonnes de SPE couplée traditionnelles. Finalement, en vue de permettre l’analyse des anti-infectieux dans les eaux de surface et l’eau potable, une méthode SPE couplée-LC-MS/MS utilisant des injections de grand volume (10 mL) a été développée. Le volume de fuite de plusieurs colonnes de SPE couplée a été estimé et la colonne ayant la meilleure rétention a été choisie. Les limites de détection et de confirmation de la méthode ont été entre 1 à 6 ng/L. L’analyse des échantillons réels a démontré que la concentration des trois anti-infectieux ciblés (sulfaméthoxazole, triméthoprime et clarithromycine) était au dessous de la limite de détection de la méthode. La mesure des masses exactes par spectrométrie de masse à temps d’envol et les spectres des ions produits utilisant une pente d’énergie de collision inverse dans un spectromètre de masse à triple quadripôle ont été explorés comme des méthodes de confirmation possibles.

Reconsidérer les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge de fond et la morphologie en rivière à lit de graviers : approches, échelles et analyses

L'objectif ultime en géomorphologie fluviale est d'expliquer les formes des cours d'eau et leur évolution temporelle et spatiale. La multiplication des études nous a mené à la réalisation que les systèmes géomorphologiques sont complexes. Les formes observées sont plus que la somme des processus individuels qui les régissent en raison d’interactions et de rétroactions non-linéaires à de multiples échelles spatiales et temporelles. Dans ce contexte, le but général de la thèse est de proposer et de tester de nouvelles avenues de recherche afin de mieux appréhender la complexité des dynamiques fluviales en utilisant des approches méthodologiques et analytiques mettant l’accent sur les interactions entre l’écoulement, le transport de sédiments en charge fond et la morphologie du lit en rivière graveleuse. Cette orientation découle du constat que les paradigmes actuels en géomorphologie fluviale n’arrivent pas à expliquer adéquatement la variabilité naturelle du transport en charge de fond ainsi que des formes du lit qui en résultent. Cinq pistes de réflexion sont développées sous forme d’articles basés sur des études de cas : 1. L'intégration des échelles de variation de l'écoulement permet d’insérer la notion de structures turbulentes dans des pulsations de plus grande échelle et d'améliorer la compréhension de la variabilité du transport de sédiments. 2. La quantification des taux de changement de l’écoulement (accélération /décélération) au cours d’une crue permet d’expliquer la variabilité des flux de transport en charge fond autant que la magnitude de l’écoulement. 3. L’utilisation de techniques de mesures complémentaires révèle une nouvelle dynamique du lit des rivières graveleuses, la dilatation et la contraction du lit suite à une crue. 4. La remise en cause du fait généralement accepté que le transport en charge de fond est corrélé positivement à l'intensité des modifications morphologiques en raison d’un problème associé aux échelles différentes des processus en cause. 5. L’approche systémique des dynamiques fluviales par l’utilisation d’analyses multivariées permet d’appréhender la complexité des dynamiques de rétroactions linéaires et non-linéaires dans l’évolution d’un chenal et d’illustrer l’importance de l’historique récent des changements géomorphologiques en réponse aux crues. Cette thèse se veut une avancée conceptuelle issue d'une profonde réflexion sur les approches classiques que l'on utilise en géomorphologie fluviale depuis plusieurs décennies. Elle est basée sur un jeu de données unique récolté lors du suivi intensif de 21 évènements de crue dans un petit cours d’eau à lit de graviers, le ruisseau Béard (Québec). Le protocole expérimental axé sur la simultanéité des mesures de l’écoulement, de la morphologie du lit et du transport de sédiments en charge de fond a permis de centrer la recherche directement sur les interactions entre les processus plutôt que sur les processus individuels, une approche rarement utilisée en géomorphologie fluviale. Chacun des chapitres illustre un nouveau concept ou une nouvelle approche permettant de résoudre certaines des impasses rencontrées actuellement en géomorphologie fluviale. Ces travaux ont des implications importantes pour la compréhension de la dynamique des lits de rivières et des habitats fluviaux et servent de point de départ pour de nouveaux développements.

Habitat variability and the individual variability of juvenile Atlantic salmon (Salmo salar)

La variabilité spatiale et temporelle de l’écoulement en rivière contribue à créer une mosaïque d’habitat dynamique qui soutient la diversité écologique. Une des questions fondamentales en écohydraulique est de déterminer quelles sont les échelles spatiales et temporelles de variation de l’habitat les plus importantes pour les organismes à divers stades de vie. L’objectif général de la thèse consiste à examiner les liens entre la variabilité de l’habitat et le comportement du saumon Atlantique juvénile. Plus spécifiquement, trois thèmes sont abordés : la turbulence en tant que variable d’habitat du poisson, les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat et la variabilité individuelle du comportement du poisson. À l’aide de données empiriques détaillées et d’analyses statistiques variées, nos objectifs étaient de 1) quantifier les liens causaux entre les variables d’habitat du poisson « usuelles » et les propriétés turbulentes à échelles multiples; 2) tester l’utilisation d’un chenal portatif pour analyser l’effet des propriétés turbulentes sur les probabilités de capture de proie et du comportement alimentaire des saumons juvéniles; 3) analyser les échelles spatiales et temporelles de sélection de l’habitat dans un tronçon l’été et l’automne; 4) examiner la variation individuelle saisonnière et journalière des patrons d’activité, d’utilisation de l’habitat et de leur interaction; 5) investiguer la variation individuelle du comportement spatial en relation aux fluctuations environnementales. La thèse procure une caractérisation détaillée de la turbulence dans les mouilles et les seuils et montre que la capacité des variables d’habitat du poisson usuelles à expliquer les propriétés turbulentes est relativement basse, surtout dans les petites échelles, mais varie de façon importante entre les unités morphologiques. D’un point de vue pratique, ce niveau de complexité suggère que la turbulence devrait être considérée comme une variable écologique distincte. Dans une deuxième expérience, en utilisant un chenal portatif in situ, nous n’avons pas confirmé de façon concluante, ni écarté l’effet de la turbulence sur la probabilité de capture des proies, mais avons observé une sélection préférentielle de localisations où la turbulence était relativement faible. La sélection d’habitats de faible turbulence a aussi été observée en conditions naturelles dans une étude basée sur des observations pour laquelle 66 poissons ont été marqués à l’aide de transpondeurs passifs et suivis pendant trois mois dans un tronçon de rivière à l’aide d’un réseau d’antennes enfouies dans le lit. La sélection de l’habitat était dépendante de l’échelle d’observation. Les poissons étaient associés aux profondeurs modérées à micro-échelle, mais aussi à des profondeurs plus élevées à l’échelle des patchs. De plus, l’étendue d’habitats utilisés a augmenté de façon asymptotique avec l’échelle temporelle. L’échelle d’une heure a été considérée comme optimale pour décrire l’habitat utilisé dans une journée et l’échelle de trois jours pour décrire l’habitat utilisé dans un mois. Le suivi individuel a révélé une forte variabilité inter-individuelle des patrons d’activité, certains individus étant principalement nocturnes alors que d’autres ont fréquemment changé de patrons d’activité. Les changements de patrons d’activité étaient liés aux variables environnementales, mais aussi à l’utilisation de l’habitat des individus, ce qui pourrait signifier que l’utilisation d’habitats suboptimaux engendre la nécessité d’augmenter l’activité diurne, quand l’apport alimentaire et le risque de prédation sont plus élevés. La variabilité inter-individuelle élevée a aussi été observée dans le comportement spatial. La plupart des poissons ont présenté une faible mobilité la plupart des jours, mais ont occasionnellement effectué des mouvements de forte amplitude. En fait, la variabilité inter-individuelle a compté pour seulement 12-17% de la variabilité totale de la mobilité des poissons. Ces résultats questionnent la prémisse que la population soit composée de fractions d’individus sédentaires et mobiles. La variation individuelle journalière suggère que la mobilité est une réponse à des changements des conditions plutôt qu’à un trait de comportement individuel.

Caractéristiques des structures turbulentes de l'écoulement et du transport en charge de fond en rivière à lit de graviers lors de la montée d'une crue

En rivière à lit de graviers, le transport des sédiments en charge de fond est un processus intermittent qui dépend de plusieurs variables du système fluvial dont la prédiction est encore aujourd’hui inexacte. Les modèles disponibles pour prédire le transport par charriage utilisent des variables d’écoulement moyen et la turbulence n’est généralement pas considérée malgré que les tourbillons contenus dans les écoulements possèdent une quantité d’énergie importante. L’utilisation de nouvelles approches pour étudier la problématique du transport par charriage pourrait nous permettre d’améliorer notre connaissance de ce processus déterminant en rivière alluviale. Dans ce mémoire, nous documentons ces composantes de la dynamique fluviale dans un cours d’eau graveleux en période de crue. Les objectifs du projet de recherche sont : 1) d’examiner l’effet du débit sur les variables turbulentes et les caractéristiques des structures turbulentes cohérentes, 2) d’investiguer l’effet du débit sur les caractéristiques des événements de transport de sédiments individuels détectés à l’aide d’un nouvel algorithme développé et testé et 3) de relier les caractéristiques de l’écoulement turbulent aux événements de transport de sédiments individuels. Les données de turbulence montrent qu’à haut niveau d’eau, l’écoulement décéléré est peu cohérent et a une turbulence plus isotrope où les structures turbulentes cohérentes sont de courte durée. Ces observations se distinguent de celles faites à faible niveau d’eau, en écoulement accéléré, où la plus grande cohérence de l’écoulement correspond à ce qui est généralement observé dans les écoulements uniformes en rivières graveleuses. Les distributions de fréquence des variables associées aux événements de transport individuel (intensité de transport moyenne, durée d’événement et intervalle entre événements successifs) ont des formes différentes pour chaque intensité de crue. À haut niveau d’eau, le transport est moins intermittent qu’à faible débit où les événements rares caractérisent davantage les distributions. L’accélération de l’écoulement à petite échelle de temps joue un rôle positif sur le transport, mais surtout lorsque la magnitude de la crue mobilisatrice est en dessous du niveau plein bord. Les résultats de l’étude montrent que les caractéristiques de la turbulence ainsi que les liens complexes entre l’écoulement et le transport par charriage sont fonction du débit.

Évaluation de l’effet des vagues de bateau sur les conditions hydrauliques près des berges en milieu fluvial

Les vagues de bateau ajoutent une pression supplémentaire sur les berges de rivières et doivent être considérées dans les modèles de prédiction des taux de recul des berges. L’objectif de cette étude est d’examiner le rôle des vagues de bateau sur l’écoulement et le transport en suspension le long des berges en milieu fluvial. Pour atteindre cet objectif, nous utilisons un transect perpendiculaire à la berge de quatre courantomètres électromagnétiques (ECMs) mesurant deux dimensions de l’écoulement et deux turbidimètres (OBSs) placés dos à dos, orientés vers la berge et le large pour mesurer les conditions moyennes et turbulentes de l’écoulement longitudinal et vertical ainsi que les flux de sédiments en suspension provoqués par les vagues. Une chaloupe à moteur de 16 pieds, équipée d’un moteur 40 hp, a été utilisée afin de générer des vagues. Nous avons mesuré l’effet de trois distances à partir de la berge (5, 10, 15 m) et trois vitesses de bateau (5, 15 et 25 km/h) et cinq répliques de chaque combinaison de distance et de vitesse ont été réalisées, totalisant 45 passages. Nous avons caractérisé la variabilité des conditions d’écoulement, de vagues et de transport de sédiments et nous avons réalisé des analyses spectrales afin de séparer les portions oscillatoire et turbulente de l’écoulement généré par les vagues de bateau. L’effet de la distance et de la vitesse du bateau sur le transport de sédiments est non-linéaire et la réponse sédimentaire induite par les passages de bateau montre une variabilité importante entre les répliques et les deux sondes OBS, ce qui suggère un changement morphologique induit par les vagues de bateau. Les corrélations entre les variables d’écoulement et de transport montrent l’importance des relations entre le cisaillement et la puissance de la portion turbulente de l’écoulement avec le transport de sédiments. Cette étude a permis de quantifier les relations entre la dynamique des vagues et les flux de concentrations de sédiments en suspension, ce qui représente une contribution importante au développement de mesures de mitigation dans les environnements fluviaux où les berges sont fragilisées par le trafic plaisancier.

Dispersion Experiments in Central London: The 2007 DAPPLE project

In the event of a release of toxic gas in the center of London, the emergency services would need to determine quickly the extent of the area contaminated. The transport of pollutants by turbulent flow within the complex street and building architecture of cities is not straightforward, and we might wonder whether it is at all possible to make a scientifically-reasoned decision. Here we describe recent progress from a major UK project, ‘Dispersion of Air Pollution and its Penetration into the Local Environment’ (DAPPLE, www.dapple.org.uk). In DAPPLE, we focus on the movement of airborne pollutants in cities by developing a greater understanding of atmospheric flow and dispersion within urban street networks. In particular, we carried out full-scale dispersion experiments in central London (UK) during 2003, 2004, 2007, and 2008 to address the extent of the dispersion of tracers following their release at street level. These measurements complemented previous studies because (i) our focus was on dispersion within the first kilometer from the source, when most of the material was expected to remain within the street network rather than being mixed into the boundary layer aloft, (ii) measurements were made under a wide variety of meteorological conditions, and (iii) central London represents a European, rather than North American, city geometry. Interpretation of the results from the full-scale experiments was supported by extensive numerical and wind tunnel modeling, which allowed more detailed analysis under idealized and controlled conditions. In this article, we review the full-scale DAPPLE methodologies and show early results from the analysis of the 2007 field campaign data.

Dispersion of a point-source release of a passive scalar through an urban-like array for different wind directions

The dispersion of a point-source release of a passive scalar in a regular array of cubical, urban-like, obstacles is investigated by means of direct numerical simulations. The simulations are conducted under conditions of neutral stability and fully rough turbulent flow, at a roughness Reynolds number of Reτ = 500. The Navier–Stokes and scalar equations are integrated assuming a constant rate release from a point source close to the ground within the array. We focus on short-range dispersion, when most of the material is still within the building canopy. Mean and fluctuating concentrations are computed for three different pressure gradient directions (0◦ , 30◦ , 45◦). The results agree well with available experimental data measured in a water channel for a flow angle of 0◦ . Profiles of mean concentration and the three-dimensional structure of the dispersion pattern are compared for the different forcing angles. A number of processes affecting the plume structure are identified and discussed, including: (i) advection or channelling of scalar down ‘streets’, (ii) lateral dispersion by turbulent fluctuations and topological dispersion induced by dividing streamlines around buildings, (iii) skewing of the plume due to flow turning with height, (iv) detrainment by turbulent dispersion or mean recirculation, (v) entrainment and release of scalar in building wakes, giving rise to ‘secondary sources’, (vi) plume meandering due to unsteady turbulent fluctuations. Finally, results on relative concentration fluctuations are presented and compared with the literature for point source dispersion over flat terrain and urban arrays. Keywords Direct numerical simulation · Dispersion modelling · Urban array

Wind observations above an urban river using a new lidar technique, scintillometry and anemometry

Flow along rivers, an integral part of many cities, might provide a key mechanism for ventilation – which is important for air quality and heat stress. Since the flow varies in space and time around rivers, there is limited utility in point measurements. Ground-based remote sensing offers the opportunity to study 3D flow in locations which are hard to observe. For three months in the winter and spring of 2011, the atmospheric flow above the River Thames in central London was observed using a scanning Doppler lidar, a dual-beam scintillometer and sonic anemometry. First, an inter-comparison showed that lidar-derived mean wind-speed estimates compare almost as well to sonic anemometers (root-mean-square error (rmse) 0.65–0.68 m s–1) as comparisons between sonic anemometers (0.35–0.73 m s–1). Second, the lidar duo-beam scanning strategy provided horizontal transects of wind vectors comparison with scintillometer rmse 1.12–1.63 m s–1) which revealed mean and turbulent flow across the river and surrounds; in particular: chanelling flow along the river and turbulence changes consistent with the roughness changes between built to river environments. The results have important consequences for air quality and dispersion around urban rivers, especially given that many cities have high traffic rates on bankside roads.

A wind tunnel model for quantifying fluxes in the urban boundary layer

Transport of pollution and heatout of streets into the boundary layer above is not currently understood and so fluxes cannot be quantified. Scalar concentration within the street is determined by the flux out of it and so quantifying fluxes for turbulent flow over a rough urban surface is essential. We have developed a naphthalene sublimation technique to measure transfer from a two-dimensional street canyon in a wind tunnel for the case of flow perpendicular to the street. The street was coated with naphthalene, which sublimes at room temperature, so that the vapour represented the scalar source. The transfer velocity wT relates the flux out of the canyon to the concentration within it and is shown to be linearly related to windspeed above the street. The dimensionless transfer coefficient wT/Uδ represents the ventilation efficiency of the canyon (here, wT is a transfer velocity,Uδ is the wind speed at the boundary-layer top). Observed values are between 1.5 and 2.7 ×10-3 and, for the case where H/W→0 (ratio of buildingheight to street width), values are in the same range as estimates of transfer from a flat plate, giving confidence that the technique yields accurate values for street canyon scalar transfer. wT/Uδ varies with aspect ratio (H/W), reaching a maximum in the wake interference regime (0.3 < H/W < 0.65). However, when upstream roughness is increased, the maximum in wT/Uδ reduces, suggesting that street ventilation is less sensitive to H/W when the flow is in equilibrium with the urban surface. The results suggest that using naphthalene sublimation with wind-tunnel models of urban surfaces can provide a direct measure of area-averaged scalar fluxes.

Processes controlling atmospheric dispersion through city centres

We develop a process-based model for the dispersion of a passive scalar in the turbulent flow around the buildings of a city centre. The street network model is based on dividing the airspace of the streets and intersections into boxes, within which the turbulence renders the air well mixed. Mean flow advection through the network of street and intersection boxes then mediates further lateral dispersion. At the same time turbulent mixing in the vertical detrains scalar from the streets and intersections into the turbulent boundary layer above the buildings. When the geometry is regular, the street network model has an analytical solution that describes the variation in concentration in a near-field downwind of a single source, where the majority of scalar lies below roof level. The power of the analytical solution is that it demonstrates how the concentration is determined by only three parameters. The plume direction parameter describes the branching of scalar at the street intersections and hence determines the direction of the plume centreline, which may be very different from the above-roof wind direction. The transmission parameter determines the distance travelled before the majority of scalar is detrained into the atmospheric boundary layer above roof level and conventional atmospheric turbulence takes over as the dominant mixing process. Finally, a normalised source strength multiplies this pattern of concentration. This analytical solution converges to a Gaussian plume after a large number of intersections have been traversed, providing theoretical justification for previous studies that have developed empirical fits to Gaussian plume models. The analytical solution is shown to compare well with very high-resolution simulations and with wind tunnel experiments, although re-entrainment of scalar previously detrained into the boundary layer above roofs, which is not accounted for in the analytical solution, is shown to become an important process further downwind from the source.

Secondary cyclogenesis along an occluded front leading to damaging wind gusts: windstorm Kyrill, January 2007

Windstorm Kyrill affected large parts of Europe in January 2007 and caused widespread havoc and loss of life. In this study the formation of a secondary cyclone, Kyill II, along the occluded front of the mature cyclone Kyrill and the occurrence of severe wind gusts as Kyrill II passed over Germany are investigated with the help of high-resolution regional climate model simulations. Kyrill underwent an explosive cyclogenesis south of Greenland as the storm crossed polewards of an intense upper-level jet stream. Later in its life cycle secondary cyclogenesis occurred just west of the British Isles. The formation of Kyrill II along the occluded front was associated (a) with frontolytic strain and (b) with strong diabatic heating in combination with a developing upper-level shortwave trough. Sensitivity studies with reduced latent heat release feature a similar development but a weaker secondary cyclone, revealing the importance of diabatic processes during the formation of Kyrill II. Kyrill II moved further towards Europe and its development was favored by a split jet structure aloft, which maintained the cyclone’s exceptionally deep core pressure (below 965 hPa) for at least 36 hours. The occurrence of hurricane force winds related to the strong cold front over North and Central Germany is analyzed using convection-permitting simulations. The lower troposphere exhibits conditional instability, a turbulent flow and evaporative cooling. Simulation at high spatio-temporal resolution suggests that the downward mixing of high momentum (the wind speed at 875 hPa widely exceeded 45 m s-1) accounts for widespread severe surface wind gusts, which is in agreement with observed widespread losses.

Changes on emitter discharge under different water temperature and pressure

The study was conducted at the Research Laboratory of Hydraulic and Irrigation Group in the Rural Engineering Department, Technical University of Madrid (Universidad Politecnica de Madrid), Madrid, Spain. Water temperatures of 20, 30, 40 degrees C and system pressures often encountered in irrigation practices of 80, 90, 100, 110, 120, 130, 140, 150, 160, 170, 180, 190 and 200 k Pa were applied to determine the effects of different water temperatures and pressures on emitter discharge. Non-pressure compensating in-line emitter which has turbulent flow regime with a long-path (labyrinth), emitter discharge was 4 L h(-1) at system pressure of 100 kPa according to the manufacturer recommended, was used. Emitters were spaced 20 cm along the drip laterals with 16 mm diameter. Discharge equations and coefficients of variation related to temperatures of 20, 30 and 40 degrees C were obtained as q = 0.375H(0.51), q = 0.358H(0.52), q = 0.346H(0.53) and 2.68, 2.09, 3.65, respectively. Discharge of the emitter was affected by different system pressures and increased as potentially (R = 0993-0996). In general. the emitter discharge increased with increasing temperature. However, especially in the common system pressures of 90-120 k Pa, differences of obtained emitter discharges between the different water temperatures were not significant (1%).

Modelagem numérica de escoamento em padrão anular com transferência de calor e massa

Annular flow is the prevailing pattern in transport and energy conversion systems and therefore, one of the most important patterns in multiphase flow in ducts. The correct prediction of the pressure gradient and heat transfer coefficient is essential for optimizing the system s capacity. The objective of this work is to develop and implement a numerical algorithm capable of predicting hydrodynamic and thermal characteristics for upflow, vertical, annular flow. The numerical algorithm is then complemented with the physical modeling of phenomena that occurs in this flow pattern. These are, turbulence, entrainment and deposition and phase change. For the development of the numerical model, axial diffusion of heat and momentum is neglected. In this way the time-averaged equations are solved in their parabolic form obtaining the velocity and temperature profiles for each axial step at a time, together with the global parameters, namely, pressure gradient, mean film thickness and heat transfer coefficient, as well as their variation in the axial direction. The model is validated for the following conditions: fully-developed laminar flow with no entrainment; fully developed laminar flow with heat transfer, fully-developed turbulent flow with entrained drops, developing turbulent annular flow with entrained drops, and turbulent flow with heat transfer and phase change

Desgaste corrosivo-cavitativo-erosivo de um aço-carbono em meio aquoso com frações de sal (NaCl), CO2 e particulados sólidos (SiO2)

A batch of eighty-four coupons of low carbon steel were investigated at laboratory conditions under a corrosive, cavitative-corrosive (CO2) and corrosive-erosive (SiO2 + CO2) in an aqueous salt solution and two levels of temperature. The following measurements were made on Vickers (HV0,05, HV0,10, HV0,20) Microhardness tests at three levels of subsurface layer. A turbulent flow collided on the cylindrical sample, with and without mechanical stirring and gas bubbling, with and without fluid contamination by solid particles of SiO2, at two temperatures. Surface Roughness and Waviness, under two conditions "as received, after machining" and "after worn out", as well as gravimetric and electrochemical parameter were measured on the two opposite generatrices of each cylindrical sample, on the flow upstream (0°) and downstream (180°) by Profilometry, Mass Variation and Linear Polarization Resistance (LPR). The results of the Microhardness and Surface Texture of all coupons were subjected to statistical comparison, using the software Statgraphics® Centurion XVI, 95% statistical certainty, and significant differences were observed in some arrays of measurements. The corrosive wear rate measured by LPR and mass variation shown to be sensitive to the presence of bubbles and hydrodynamic fluctuations inside the cell, considering the temperature and contamination of corrosive fluid by solid particles. The main results of visual inspection relative to some topologies of the surface damages involving different mechanisms that were seen to give explanation for some fluctuations in wear rates of the steel experimentally investigated

Modelagem e simulação da deposição de parafinas em escoamento turbulento

The flow assurance has become one of the topics of greatest interest in the oil industry, mainly due to production and transportation of oil in regions with extreme temperature and pressure. In these operations the wax deposition is a commonly problem in flow of paraffinic oils, causing the rising costs of the process, due to increased energy cost of pumping, decreased production, increased pressure on the line and risk of blockage of the pipeline. In order to describe the behavior of the wax deposition phenomena in turbulent flow of paraffinic oils, under different operations conditions, in this work we developed a simulator with easy interface. For that we divided de work in four steps: (i) properties estimation (physical, thermals, of transport and thermodynamics) of n-alkanes and paraffinic mixtures by using correlations; (ii) obtainment of the solubility curve and determination the wax appearance temperature, by calculating the solid-liquid equilibrium of parafinnic systems; (iii) modelling wax deposition process, comprising momentum, mass and heat transfer; (iv) development of graphic interface in MATLAB® environment for to allow the understanding of simulation in different flow conditions as well as understand the matter of the variables (inlet temperature, external temperature, wax appearance temperature, oil composition, and time) on the behavior of the deposition process. The results showed that the simulator developed, called DepoSim, is able to calculate the profile of temperature, thickness of the deposit, and the amount of wax deposited in a simple and fast way, and also with consistent results and applicable to the operation