ETUDE EXPERIMENTALE DE JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES A DENSITE VARIABLE. ANALYSE DES PROPRIETES STATISTIQUES DES ECHELLES DU CHAMP DYNAMIQUE PDF Download
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L'EFFET DES VARIATIONS DE MASSE VOLUMIQUE SUR LA STRUCTURE FINE DE LA TURBULENCE DANS LES JETS EST ANALYSE DE MANIERE EXPERIMENTALE. LA CONFIGURATION ADOPTEE EST CELLE D'UN JET DE TUBE AXISYMETRIQUE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR DE VITESSE TRES BASSE. DANS LA SITUATION ETUDIEE D'UN JET D'HELIUM S'EPANOUISSANT DANS L'AIR, LE RAPPORT INITIAL DES MASSES VOLUMIQUES EST DE 0.14. LE CAS DU JET D'AIR, A TEMPERATURE AMBIANTE OU LEGEREMENT CHAUFFE (CONTAMINANT PASSIF) SERVANT DE BASE DE COMPARAISON , EST AUSSI TRAITE. LES TECHNIQUES DE MESURE UTILISEES SONT LA VELOCIMETRIE LASER DOPPLER ET LA THERMOMETRIE A FIL FROID. UN SYSTEME DE MESURE SIMULTANEE DE VITESSE ET DE TEMPERATURE A ETE ELABORE. LE TRAITEMENT DE CES MESURES FOURNIT NOTAMMENT LES FLUX TURBULENTS DE CHALEUR ET LES PROBABILITES CONDITIONNELLES DE TEMPERATURE. L'EXAMEN DE CES RESULTATS PERMET DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE MELANGE DANS LE JET. UNE ANALYSE FINE DU CHAMP DYNAMIQUE EST AUSSI REALISEE A PARTIR DES ACQUISITIONS DE VITESSE PAR VLD GRACE A L'ETUDE DES SPECTRES ET FONCTIONS DE STRUCTURE. L'INVESTIGATION EST LIMITEE ICI AUX ECHELLES SUPERIEURES A LA MICRO-ECHELLE DE TAYLOR A CAUSE DES TAUX D'ACQUISITIONS PLUS OU MOINS ELEVES DES MESURES DE VITESSE. DANS LES ECOULEMENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE, IL S'AVERE QUE LE PARAMETRE FONDAMENTAL RESTE LE NOMBRE DE REYNOLDS DE LA TURBULENCE R#, DE SORTE QUE LES PROPRIETES STATISTIQUES DES ECHELLES DE LA TURBULENCE NE DEPENDENT COMME POUR LES ECOULEMENTS CLASSIQUES QUE DE CE PARAMETRE. NEANMOINS, R# EST LIE AUX CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT, A SAVOIR: LE NOMBRE DE REYNOLDS RE#J, EN SORTIE DE BUSE, ET LE FLUX DE QUANTITE DE MOUVEMENT INITIAL M#J, DANS LA ZONE LOINTAINE. ENTRE CES DEUX REGIONS, IL DEPEND A LA FOIS DE RE#J ET M#J
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L'EFFET DES VARIATIONS DE MASSE VOLUMIQUE SUR LA STRUCTURE FINE DE LA TURBULENCE DANS LES JETS EST ANALYSE DE MANIERE EXPERIMENTALE. LA CONFIGURATION ADOPTEE EST CELLE D'UN JET DE TUBE AXISYMETRIQUE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR DE VITESSE TRES BASSE. DANS LA SITUATION ETUDIEE D'UN JET D'HELIUM S'EPANOUISSANT DANS L'AIR, LE RAPPORT INITIAL DES MASSES VOLUMIQUES EST DE 0.14. LE CAS DU JET D'AIR, A TEMPERATURE AMBIANTE OU LEGEREMENT CHAUFFE (CONTAMINANT PASSIF) SERVANT DE BASE DE COMPARAISON , EST AUSSI TRAITE. LES TECHNIQUES DE MESURE UTILISEES SONT LA VELOCIMETRIE LASER DOPPLER ET LA THERMOMETRIE A FIL FROID. UN SYSTEME DE MESURE SIMULTANEE DE VITESSE ET DE TEMPERATURE A ETE ELABORE. LE TRAITEMENT DE CES MESURES FOURNIT NOTAMMENT LES FLUX TURBULENTS DE CHALEUR ET LES PROBABILITES CONDITIONNELLES DE TEMPERATURE. L'EXAMEN DE CES RESULTATS PERMET DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE MELANGE DANS LE JET. UNE ANALYSE FINE DU CHAMP DYNAMIQUE EST AUSSI REALISEE A PARTIR DES ACQUISITIONS DE VITESSE PAR VLD GRACE A L'ETUDE DES SPECTRES ET FONCTIONS DE STRUCTURE. L'INVESTIGATION EST LIMITEE ICI AUX ECHELLES SUPERIEURES A LA MICRO-ECHELLE DE TAYLOR A CAUSE DES TAUX D'ACQUISITIONS PLUS OU MOINS ELEVES DES MESURES DE VITESSE. DANS LES ECOULEMENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE, IL S'AVERE QUE LE PARAMETRE FONDAMENTAL RESTE LE NOMBRE DE REYNOLDS DE LA TURBULENCE R#, DE SORTE QUE LES PROPRIETES STATISTIQUES DES ECHELLES DE LA TURBULENCE NE DEPENDENT COMME POUR LES ECOULEMENTS CLASSIQUES QUE DE CE PARAMETRE. NEANMOINS, R# EST LIE AUX CARACTERISTIQUES DE L'ECOULEMENT, A SAVOIR: LE NOMBRE DE REYNOLDS RE#J, EN SORTIE DE BUSE, ET LE FLUX DE QUANTITE DE MOUVEMENT INITIAL M#J, DANS LA ZONE LOINTAINE. ENTRE CES DEUX REGIONS, IL DEPEND A LA FOIS DE RE#J ET M#J
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CE TRAVAIL, DE NATURE EXPERIMENTALE, CONCERNE LES JETS TURBULENTS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE. LES PROPRIETES STATISTIQUES LOCALES, OBTENUES SUR LES CHAMPS DE VITESSE, DE CONCENTRATION MASSIQUE MOYENNE ET DE TEMPERATURE MOYENNE ET FLUCTUANTE SONT INDISPENSABLES TANT POUR UNE MEILLEURE COMPREHENSION PHYSIQUE DES EFFETS DE DENSITE QUE POUR LA MODELISATION DE TELS ECOULEMENTS. LA CONFIGURATION ADOPTEE EST CELLE D'UN JET DE TUBE AXISYMETRIQUE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR. CES DONNEES PERMETTENT D'ANALYSER L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE DENSITE SUR LA STRUCTURE FINE DE LA TURBULENCE. PAR AILLEURS, IL A ETE MIS EN EVIDENCE, POUR LA PREMIERE FOIS, LES VALEURS NEGATIVES DE CERTAINES CORRELATIONS TRIPLES DU CHAMP TURBULENT DE VITESSE DANS LA REGION CENTRALE DES JETS. EN OUTRE, L'EXPLOITATION FINE DES RESULTATS, A TRAVERS LA REALISATION DE BILANS DE CERTAINES EQUATIONS DE CONSERVATION, A PERMIS LA VALIDATION DE CERTAINES MESURES ET SURTOUT L'ESTIMATION DE GRANDEURS N'AYANT PU, VOIRE NE POUVANT, ETRE MESUREES POUR L'INSTANT
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Cette étude expérimentale est une contribution à l'amélioration des connaissances de l'influence de la variation de la masse volumique sur le développement des champs dynamique et scalaire de jets turbulents axisymétriques de gaz se développant dans un co-courant d'air. Les différents gaz étudiés sont l'hélium, le méthane, l'air et le co#2, donnant respectivement le rapport des densités suivant : 7,2 ; 1,8 ; 1 et 0,667. Le rapport des vitesses entre le jet et le co-courant est maintenu constant (0,075). Les jets de gaz, issus d'un tube circulaire, débouchent dans un caisson de mélange. La determination complète, tant axiale que radiale, du champ dynamique (vitesses moyennes, variances, moments d'ordre 3 et 4) a été faite grâce à la vélocimétrie doppler laser a deux composantes, ceci en apportant un soin tout particulier à l'optimisation du système d'ensemencement (génération d'un brouillard de gouttelettes d'huile d'olive ayant un diamètre de 1,5 m). L'influence de la variation de densité est notable sur toutes les grandeurs mesurées. Les jets de gaz se mélangent plus vite avec le co-courant d'air que les jets de gaz lourds. La connaissance du champ dynamique instantané nous a permis, à partir de programmes de calcul des densités spectrales d'énergie (bases sur une méthode par intervalles exacts et des transformées de Fourier rapides) d'obtenir des spectres pour chacune des positions axiales explorées. Ainsi, nous avons pu en déduire les échelles caractéristiques de la turbulence dans nos jets à masse volumique variable (macro-échelle de longueur, échelle de taylor et de komogorov), ainsi que d'autres grandeurs importantes (taux de dissipation de l'énergie cinétique de la turbulence, nombre de reynolds turbulent et macro-échelle de temps). L'influence du rapport des densités est également notable sur ces grandeurs. Enfin, une exploration du champ scalaire a été réalisée par la technique de la diffusion de la lumière par effet rayleigh induit par laser sur les mêmes gaz. Nous avons alors obtenu pour chaque gaz les évolutions longitudinales et radiales de la fraction molaire, pour ensuite en déduire l'évolution de la fraction de mélange ainsi que celle de la masse volumique.
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CETTE ETUDE EXPERIMENTALE EST UNE CONTRIBUTION A L'AMELIORATION DES CONNAISSANCES DE L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE SUR LE DEVELOPPEMENT DES CHAMPS DYNAMIQUE ET SCALAIRE DE JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES DE GAZ SE DEVELOPPANT DANS UN CO-COURANT D'AIR. LES DIFFERENTS GAZ ETUDIES SONT L'HELIUM, LE METHANE, L'AIR ET LE CO#2, DONNANT RESPECTIVEMENT LE RAPPORT DES DENSITES SUIVANT : 7,2 ; 1,8 ; 1 ET 0,667. LE RAPPORT DES VITESSES ENTRE LE JET ET LE CO-COURANT EST MAINTENU CONSTANT (0,075). LES JETS DE GAZ, ISSUS D'UN TUBE CIRCULAIRE, DEBOUCHENT DANS UN CAISSON DE MELANGE. LA DETERMINATION COMPLETE, TANT AXIALE QUE RADIALE, DU CHAMP DYNAMIQUE (VITESSES MOYENNES, VARIANCES, MOMENTS D'ORDRE 3 ET 4) A ETE FAITE GRACE A LA VELOCIMETRIE DOPPLER LASER A DEUX COMPOSANTES, CECI EN APPORTANT UN SOIN TOUT PARTICULIER A L'OPTIMISATION DU SYSTEME D'ENSEMENCEMENT (GENERATION D'UN BROUILLARD DE GOUTTELETTES D'HUILE D'OLIVE AYANT UN DIAMETRE DE 1,5 M). L'INFLUENCE DE LA VARIATION DE DENSITE EST NOTABLE SUR TOUTES LES GRANDEURS MESUREES. LES JETS DE GAZ SE MELANGENT PLUS VITE AVEC LE CO-COURANT D'AIR QUE LES JETS DE GAZ LOURDS. LA CONNAISSANCE DU CHAMP DYNAMIQUE INSTANTANE NOUS A PERMIS, A PARTIR DE PROGRAMMES DE CALCUL DES DENSITES SPECTRALES D'ENERGIE (BASES SUR UNE METHODE PAR INTERVALLES EXACTS ET DES TRANSFORMEES DE FOURIER RAPIDES) D'OBTENIR DES SPECTRES POUR CHACUNE DES POSITIONS AXIALES EXPLOREES. AINSI, NOUS AVONS PU EN DEDUIRE LES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE DANS NOS JETS A MASSE VOLUMIQUE VARIABLE (MACRO-ECHELLE DE LONGUEUR, ECHELLE DE TAYLOR ET DE KOMOGOROV), AINSI QUE D'AUTRES GRANDEURS IMPORTANTES (TAUX DE DISSIPATION DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE, NOMBRE DE REYNOLDS TURBULENT ET MACRO-ECHELLE DE TEMPS). L'INFLUENCE DU RAPPORT DES DENSITES EST EGALEMENT NOTABLE SUR CES GRANDEURS. ENFIN, UN EXPLORATION DU CHAMP SCALAIRE A ETE REALISEE PAR LA TECHNIQUE DE LA DIFFUSION DE LA LUMIERE PAR EFFET RAYLEIGH INDUIT PAR LASER SUR LES MEMES GAZ. NOUS AVONS ALORS OBTENU POUR CHAQUE GAZ LES EVOLUTIONS LONGITUDINALES ET RADIALES DE LA FRACTION MOLAIRE, POUR ENSUITE EN DEDUIRE L'EVOLUTION DE LA FRACTION DE MELANGE AINSI QUE CELLE DE LA MASSE VOLUMIQUE.
Author: Jean-François Lucas Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 242
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CE TRAVAIL CONSISTE EN L'ETUDE EXPERIMENTALE DE JETS TURBULENTS AXISYMETRIQUES A DENSITE VARIABLE ET, PLUS PARTICULIEREMENT, EN L'ANALYSE FINE DES PROPRIETES DE COUPLAGE DES CHAMPS DE VITESSE ET DE CONCENTRATION. NOUS ETUDIONS UN JET DE TUBE, VERTICAL ET ASCENDANT, FAIBLEMENT CONFINE DANS UN CO-COURANT D'AIR DE VITESSE TRES FAIBLE. LA VARIATION DE DENSITE EST OBTENUE PAR DE L'HELIUM, A TEMPERATURE AMBIANTE, S'EPANOUISSANT DANS DE L'AIR A TEMPERATURE AMBIANTE (RAPPORT INITIAL DES MASSES VOLUMIQUES DE 0.14). LE JET D'AIR LEGEREMENT CHAUFFE FOURNIT UN TRACEUR PASSIF (SANS VARIATION DE MASSE VOLUMIQUE IMPORTANTE), CE QUI JOUE LE ROLE DE REFERENCE. NOUS COMBINONS LA VELOCIMETRIE LASER DOPPLER ET L'ANEMO-THERMOMETRIE A FIL CHAUD : LA PREMIERE TECHNIQUE MESURE SIMULTANEMENT DEUX COMPOSANTES DE LA VITESSE, TANDIS QUE LA SECONDE DELIVRE UNE TENSION LIEE A LA VITESSE ET A LA CONCENTRATION. UN SYSTEME PERMETTANT LE DECLENCHEMENT SIMULTANE DES ACQUISITIONS A ETE ELABORE. APRES CALIBRATION APPROPRIEE DE LA SONDE A FIL CHAUD, ON OBTIENT NOTAMMENT LES FLUX TURBULENTS DE CONCENTRATION. NOS RESULTATS PERMETTENT DE MIEUX COMPRENDRE LES MECANISMES DE MELANGE DANS LA ZONE INITIALE DE DEVELOPPEMENT DU JET OU LES GRADIENTS SONT LES PLUS FORTS. AINSI, PLUS LE GAZ EJECTE EST LEGER, PLUS SON MELANGE EST RAPIDE. LES FONCTIONS DE DENSITE DE PROBABILITE ET LES MOYENNES CONDITIONNELLES PERMETTENT UNE ANALYSE PLUS FINE DU COUPLAGE, REVELANT, POUR LE JET D'HELIUM, LA PRESENCE INATTENDUE D'HELIUM PRESQUE PUR A BASSE VITESSE. DE PLUS, DANS CE CAS, LE TERME AXIAL DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE EST ATTENUE AU PROFIT DES COMPOSANTES RADIALES. DE NOMBREUSES APPLICATIONS INDUSTRIELLES CONSTITUENT UNE DES FINALITES DE CETTE RECHERCHE, MENEE DEPUIS PLUSIEURS ANNEES EN LIAISON AVEC EDF, GDF, LA SNECMA ET L'INERIS. L'INTERET FONDAMENTAL VISE A FOURNIR DES ELEMENTS PRECIS DE LA PHYSIQUE SOUS-JACENTE ET A AIDER A LA MISE AU POINT DE MODELES DE TURBULENCE BIEN ADAPTES.
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DANS CETTE THESE, ON ETUDIE LA MODELISATION AU SECOND-ORDRE DES JETS TURBULENTS A DENSITE VARIABLE EN MOYENNE DE FAVRE ET EN MOYENNE DE REYNOLDS. TOUT D'ABORD, LES PROBLEMES RELATIFS A LA MODELISATION DES JETS A DENSITE CONSTANTE SONT ABORDES. ENSUITE, LES MODELISATIONS DES PHENOMENES PHYSIQUES ENGENDRES PAR LES VARIATIONS DE DENSITE SONT ETUDIEES. POUR CHAQUE APPROCHE STATISTIQUE, UN MODELE EST MIS AU POINT A PARTIR DES MESURES OBTENUES DANS LES JETS AXISYMETRIQUES ETUDIES A L'I.M.S.T. LES COMPARAISONS ENTRE LES CALCULS ET L'EXPERIENCE SONT SATISFAISANTES POUR LES DEUX APPROCHES, DE MEILLEURS RESULTATS ETANT TOUTEFOIS OBTENUS AVEC LE MODELE EN MOYENNE DE REYNOLDS, DU FAIT DE L'ADJONCTION DE TERMES DANS L'EQUATION DU TAUX DE DISSIPATION DE L'ENERGIE CINETIQUE DE LA TURBULENCE. ENFIN, CET OUTIL NUMERIQUE A ETE UTILISE POUR ETUDIER LES ECHELLES CARACTERISTIQUES DE LA TURBULENCE DANS LA ZONE DE PSEUDO-SIMILITUDE DES JETS PLAN ET AXISYMETRIQUE A DENSITE VARIABLE. DES RELATIONS ANALYTIQUES ONT D'ABORD ETE DEVELOPPEES, PUIS COMPAREES AUX PREVISIONS NUMERIQUES ET AUX QUELQUES MESURES DISPONIBLES. CETTE ETUDE A PERMIS DE MONTRER CLAIREMENT QUE LE PARAMETRE PRINCIPAL QUI GOUVERNE CES ECHELLES EST LE FLUX DE QUANTITE DE MOUVEMENT IMPOSE DANS LA SECTION D'EJECTION DE CES JETS
Author: Samuel Davoust Publisher: ISBN: Category : Languages : fr Pages : 193
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Cette thèse est une contribution à l'étude de la turbulence dans le champ proche de la sortie de jets, avec ou sans effets de rotation. Notre dispositif expérimental permet de générer un jet tournant qui se développe en formant une couche de mélange axisymétrique turbulente et dont le nombre de swirl peut être précisément fixé. L'écoulement est caractérisé par PIV stéréoscopique, avec un recours à des acquisitions à haute cadence de manière à résoudre la dynamique des grandes échelles de la turbulence. Nous avons proposé une méthode qui permet de déterminer la vitesse de convection des structures turbulentes et d'estimer la validité de l'approximation de Taylor. Cette étude démontre qu'il est ici légitime de décrire les structures spatiales de la turbulence à partir de mesures temporelle réalisées dans un plan transverse à l'écoulement. Dans le cœur du jet non tournant, une POD confirme la prédominance de modes m=0 et m=1 décrite dans de précédentes études. Le mode m=1 prend plus souvent la forme d'un battement que d'une hélice. Dans la couche de mélange, les tourbillons longitudinaux sont les structures dominantes. Une organisation sous forme de paires de signe opposé orientées radialement est mise en évidence par l'analyse des corrélations doubles de vorticité. L'étude des corrélations vorticité-vitesse donne la position préférentielle de ces tourbillons par rapport aux modes m=0 et m=1. Nous avons alors proposé un scénario d'interaction entre les modes m=0 et m=1, les tourbillons longitudinaux et le champ moyen. Lorsque le nombre de swirl augmente, le taux de croissance et l'énergie cinétique turbulente dans la couche de mélange du jet varient de manière non-monotone. Ceci est dû à des conditions initiales issues du mécanisme de mise en rotation, qui ont un effet contraire à celui de l'alignement du tenseur de Reynolds avec le tenseur des déformations. L'orientation des paires de tourbillons avec le swirl permet d'interpréter dynamiquement l'évolution du tenseur de Reynolds
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L'OBJECTIF DE CETTE RECHERCHE EST L'ETUDE EXPERIMENTALE ET THEORIQUE DE L'INFLUENCE D'UNE FORTE VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE SUR LA STRUCTURE D'UN JET TURBULENT RECTANGULAIRE. CETTE VARIATION DE DENSITE EST OBTENUE D'UNE PART, PAR UN FORT CHAUFFAGE DE L'ECOULEMENT D'AIR D'UN JET UNIQUE, ET D'AUTRE PART, A PARTIR DE REACTION CHIMIQUE DANS UNE FLAMME TURBULENTE DE DIFFUSION. LA STRUCTURE DU CHAMP DYNAMIQUE DANS LE JET EST COMPAREE ENTRE LE CAS ISOTHERME ET FORTEMENT CHAUFFE, ALORS QUE DANS LA FLAMME, ELLE EST COMPAREE ENTRE LE CAS NON REACTIF ET REACTIF. EN CE QUI CONCERNE LE CHAMP THERMIQUE DANS LE CAS DU JET, IL EST COMPARE ENTRE LE CAS FAIBLEMENT CHAUFFE ET LE CAS FORTEMENT CHAUFFE. LES TECHNIQUES DE MESURE UTILISEES SONT: L'ANEMOMETRIE LASER DOPPLER POUR L'ETUDE DU CHAMP DYNAMIQUE, LA TECHNIQUE DE L'ANEMOMETRIE A FIL FROID POUR L'ETUDE DU CHAMP THERMIQUE DANS LES JETS ET LA TECHNIQUE DES THERMOCOUPLES COMPENSES POUR L'ETUDE DU CHAMP THERMIQUE DANS LA FLAMME. DANS LE CAS DU JET, LES EQUATIONS STATISTIQUES SONT OBTENUES PAR L'APPLICATION DE LA MOYENNE DE REYNOLDS DANS LE CAS DU JET ISOTHERME, ET LA MOYENNE DE FAVRE DANS LE CAS DU JET FORTEMENT CHAUFFE. ENSUITE, CES EQUATIONS SONT ECRITES DANS LE CADRE DE L'APPROXIMATION DE COUCHE LIMITE, PUIS RESOLUES NUMERIQUEMENT PAR UNE FERMETURE DE TYPE K, EPSILON. LES RESULTATS OBTENUS MONTRENT QUE L'EFFET DE LA VARIATION DE LA MASSE VOLUMIQUE EST IMPORTANT. DE MEME, DES DIFFERENCES DE COMPORTEMENT SONT OBSERVEES ENTRE LE CAS REACTIF ET LE CAS FORTEMENT CHAUFFE
Author: Laurence Pietri
Author: Laurence Pietri
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Author: Toufik Djeridane
Author: Upendra S. Rohatgi
Author: Joël Page
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Author: Jean-François Lucas
Author: EMMANUEL.. RUFFIN
Author: Samuel Davoust
Author: Brahim Sarh