En automobile, les suspensions semi-actives à base de fluides magnétorhéologiques (MR) proposent un compromis très intéressant entre des performances élevées et une Consommation électrique faible. Par le contrôle et l'ajustement de leurs paramètres d'amortissement, elles permettent de réaliser une optimisation en temps réel du comportement sur une large bande de fréquences de sollicitations. Cette technologie utilise les fluides MR dont la viscosité augmente sous l'action d'un champ magnétique, en quelques ms. Ce mémoire présente la conception et le dimensionnement d'un amortisseur MR ainsi que le banc de test associé. La caractérisation dynamique et statique de l'amortisseur a été effectuée. L'évaluation expérimentale de la force d'amortissement en fonction des grandeurs dynamiques et électriques a été mesurée et comparée au modèle théorique utilisé dans la phase de conception. Le comportement en régime statique de l'amortisseur a été modélisé par un modèle de Bingham et le comportement dynamique par un modèle de Bouc-Wen. La dernière partie de l'étude concerne la mise en place et la validation de plusieurs lois de contrôle pour les suspensions semi-actives, notamment de nouvelles lois basées sur l'inversion du modèle REM. Une comparaison des performances en termes de confort et de consommation électrique de chaque loi est présentée. Ces nouvelles lois de contrôle ont montré de très bonnes performances tout en réduisant la consommation électrique par rapport aux autres lois déjà existantes.

Nous reportons ici le comportement rhéologique de suspensions concentrées de particules non browniennes de fécule de maïs ou de polystyrène sphériques et monodisperses. Le système modèle de particules de polystyrène est utilisé afin de contrôler les propriétés physicochimiques de la suspension. Ce travail expérimental s'articule autour de deux aspects rencontrés chez les fluides complexes : le seuil d'écoulement et le seuil de rhéoépaississement. <br />Dans un premier temps, nous avons étudié l'origine du seuil d'écoulement. Nous avons, à partir de techniques de rhéologie classique et locale par IRM, montré que le seuil d'écoulement des suspensions modèles n'est observé que par l'introduction d'un contraste de densité entre les particules et le fluide suspendant. Ce contraste de densité introduit alors une consolidation à l'échelle des particules. Le seuil d'écoulement apparaît alors sans aucune sédimentation macroscopique de l'échantillon. Dans un second temps, nous avons étudié un phénomène de structuration dynamique, sous écoulement : le rhéoépaississement. Ainsi, en couplant des mesures macroscopiques originales (comme l'étude de l'influence de l'entrefer de la géométrie de mesure sur le comportement rhéoépaississant, et des mesures de dilatation volumique en fonction du taux de cisaillement) et des mesures locales des propriétés d'écoulement par IRM, nous montrons que le rhéoépaississement de la suspension de fécule de maïs est une conséquence directe de la dilatance de Reynolds. Par ailleurs, le système modèle, contrairement à la suspension de fécule de maïs, présente un rhéoépaississement qui est accompagné d'un régime de localisation qui devient responsable d'un blocage partiel de l'écoulement dans l'entrefer de la géométrie de Couette.

The regular transmittance of light or similar radiation through a flowing suspension of particles fluctuates because of the random occurrence of particles in the beam.In the work presented here, a theory for this fluctuating behaviour with the emphasison dispersions of mm-length slender cylindrical particles having circular crosssections is given. The particles in question are wood pulp fibres, which as a first approximation are considered to have a cylinder shape. Four possible measurementprinciples are described theoretically and experimentally. The four principles are for the measurement of concentration, length distribution characterized as lengthclasses, mean length, and mean width. The usefulness in industrial process monitoring of two of these principles is exemplified with pulp measurements. In order to estimate model errors, numerical simulations were used. Although other techniques such as image analysis may compete, the technique presented here is attractive because of the simplicity of the measurement device used. / QC 20100806

Mathematical Modeling of Fines Migration and Clogging in Porous Media Guido Kampel 87 Pages Directed by Dr. Guillermo H. Goldsztein A porous medium is a material that contains regions filled with fluid embedded in a solid matrix. These fluid filled regions are called pores or voids. Suspensions are fluids with small particles called fines. As a suspension flows through a porous material, some fines are trapped within the material while others that were trapped may be released. Filters are an example of porous media. We model filters as networks of channels. As a suspension flows across the filter, particles clog channels. We assume that there is no flow through clogged channels. In the first part of this thesis, we compute a sharp upper bound on the number of channels that can clog before fluid can no longer flow through the filter. Soil mass is another example of porous media. Fluid in porous media flows through tortuous paths. This tortuosity and inertial effects cause fines to collide with pore walls. After each collision, a particle looses momentum and needs to be accelerated again by hydrodynamic forces. As a result, the average velocity of fines is smaller than that of the fluid. This retardation of the fines with respect to the fluid may lead to an increase of the concentration of fines in certain regions which may eventually result in the plugging of the porous medium. This effect is of importance in flows near wells where the flow has circular symmetry and thus, it is not macroscopically homogeneous. In the second part of this thesis we develop and analyze a mathematical model to study the physical effect described above. In the third and last part of this thesis we study particle migration and clogging as suspension flows through filters by means of numerical simulations and elementary analysis. We explore the effect that network geometry, probability distribution of the width of the channels and probability distribution of the diameter of the particles have on the performance of filters.

The main motivation of this study is the design of a control strategy for semi-active vehicle suspension systems to improve ride comfort for road vehicles. In order to achieve this objective, firstly the damping characteristics of Magnetorheological dampers will be reviewed. Then an appropriate semi-active control strategy manipulating the inputs of the dampers to create suitable damping forces will be designed. Linear Quadratic Regulator (LQR) control strategy is the primary focus area on semi-active control throughout this study. Further, skyhook controllers are examined and compared with optimal LQR controllers. The semi-active controller is tuned using a linearized full (4 wheel) vehicle ride model with seven degrees of freedom. Some selected simulations are carried out by using a nonlinear model to tune LQR controller in an effort to optimize bounce, pitch, and roll motion of the vehicle. Time domain simulations and frequency response analysis are used to justify the effectiveness of the proposed LQR control strategy.

Determination of the relation between the bulk or rheological properties of a particle suspension and its microscopic structure is an old and important problem in physical science. In general, the rheology of particle suspension is quite complex, and the problem becomes even more complicated if the suspending particle is deformable. Despite these difficulties, a large number of theoretical and experimental investigations have been devoted to the analysis and prediction of the rheological behavior of particle suspensions. However, among these studies there are very few investigations that focus on the role of particle deformability. A novel method for full coupling of the fluid-solid phases with sub-grid accuracy for the solid phase is developed. In this method, the flow is computed on a fixed regular 'lattice' using the lattice Boltzmann method (LBM), where each solid particle, or fiber, is mapped onto a Lagrangian frame moving continuously through the domain. The motion and orientation of the particle are obtained from Newtonian dynamics equations. The deformable particle is modeled by the lattice-spring model (LSM).The fiber deformation is calculated by an efficient flexible fiber model. The no-slip boundary condition at the fluid-solid interface is based on the external boundary force (EBF) method. This method is validated by comparing with known experimental and theoretical results. The fiber simulation results show that the rheological properties of flexible fiber suspension are highly dependent on the microstructural characteristics of the suspension. It is shown that fiber stiffness (bending ratio BR) has strong impact on the suspension rheology in the range BR < 3. The relative viscosity of the fiber suspension under shear increases significantly as BR decreases. Direct numerical simulation of flexible fiber suspension allows computation of the primary normal stress difference as a function of BR. These results show that the primary normal stress difference has a minimum value at BR ∼ 1. The primary normal stress differences for slightly deformable fibers reaches a minimum and increases significantly as BR decreases below 1. The results are explained based on the Batchelor's relation for non-Brownian suspensions. The influence of fiber stiffness on the fiber orientation distribution and orbit constant is the major contributor to the variation in rheological properties. A least-squares curve-fitting relation for the relative viscosity is obtained for flexible fiber suspension. This relation can be used to predict the relative viscosity of flexible fiber suspension based on the result of rigid fiber suspension. The unique capability of the LBM-EBF method for sub-grid resolution and multiscale analysis of particle suspension is applied to the challenging problem of platelet motion in blood flow. By computing the stress distribution over the platelet, the "blood damage index" is computed and compared with experiments in channels with various geometries [43]. In platelet simulation, the effect of 3D channel geometry on the platelet activation and aggregation is modeled by using LBM-EBF method. Comparison of our simulations with Fallon's experiments [43] shows a similar pattern, and shows that Dumont's BDI model [40] is more appropriate for blood damage investigation. It has been shown that channels with sharp transition geometry will have larger recirculation areas with high BDI values. By investigating the effect of hinge area geometry on BDI value, we intend to use this multiscale computational method to optimize the design of Bileaflet mechanical heart valves. Both fiber simulations and platelet simulations have shown that the novel LBM-EBF method is more efficient and stable compare to the conventional numerical methods. The new EBF method is a two-Cway coupling method with sub-grid accuracy which makes the platelet simulations possible. The LBM-EBF is the only method to date, to the best of author's knowledge, that can simulate suspensions with large number of deformable particles under complex flow conditions. It is hoped that future researchers may benefit from this new method and the algorithms developed here.

La sédimentation de particules non-browniennes dans une suspension de laponite a été étudiée expérimentalement. Un protocole de préparation spécifique a été mis en place, la caractérisation rhéologique du fluide a été réalisée : la laponite constitue un fluide thixotrope, à seuil, rhéofluidifiant et viscoélastique. La caractéristique principale est l'augmentation en exponentielle de la viscosité du fluide avec le temps de vieillissement. La sédimentation de particules isolées a été étudiée sous différents aspects : vitesse de la particule, champs de vitesse autour de la particule, biréfringence induite par la sédimentation. La vitesse de la particule évolue en exponentielle décroissante avec le temps de vieillissement. Deux régimes d'écoulement suivant la contrainte exercée par la particule ont été repérés : un écoulement avec une traînée négative (remontée du fluide après le passage de la particule) avec une évolution spatiale quasi-similaire entre l'amont et l'aval. La biréfringence induite par la sédimentation de la particule relaxe très lentement après le passage de la particule. Le temps de relaxation correspondant augmente avec le temps de vieillissement du fluide. La sédimentation de deux particules a été observée dans deux cas : en présence et en absence d'une traînée négative. L'agrégation des particules peut être observée dans chaque cas. De plus, la sédimentation de suspensions a été entreprise : on observe une sédimentation sur une longueur finie conduisant à l'arrêt de la sédimentation contrairement au ca newtonien. La dynamique de cet arrêt est en exponentielle décroissante.

The inherent thermal resistance of ceramic membranes allows for treatment of industrial waters at elevated temperatures. Traditionally, the high temperature of wastewater has been an issue compromising the integrity of polymeric membrane systems or requiring the temperature to be lowered for further treatments. In ceramic membrane systems, a decrease in viscosity with increasing temperature, however, can be utilized, which increases the permeate flux. In this study, the fouling of ceramic ultrafiltration by feed solutions containing colloidal silica was evaluated at temperatures between 25 – 90 °C seen in various industries. Ceramic membranes were able to perform well at elevated temperatures up to 90 ºC with sustained mechanical and chemical integrity. Results showed net benefit of filtration at elevated temperatures on permeate flux in spite of increasing total fouling resistance with temperature. When the temperature increased from 25 to 90 °C, there was a 90% increase in steady-state permeate flux. The dominant resistance was physically removable fouling, and the increase in fouling with feed temperature was supported by force balance analyses. This study provides a foundation from which further studies can be developed including pilot-scale testing, use of real wastewater, and the effects of operating conditions.

L'indisponibilité d'un transformateur de puissance a de fortes répercussions financières aussi bien pour les exploitants de réseaux d'énergie électriques que pour les clients qui y sont connectés. Afin de prévenir les pannes et d'optimiser la performance de ces équipements d'importance stratégique, de nombreuses techniques et outils de diagnostic ont été développés. L'huile contient environ 70 % des informations de diagnostic sur l'état des transformateurs. Le défi consiste à y accéder et à les utiliser efficacement. L'atteinte d'un tel objectif passe nécessairement par des techniques de diagnostic fiables. En plus des techniques traditionnellement utilisées, trois nouvelles techniques de diagnostic issues des normes ASTM sont utilisées : (1) le test de stabilité qui permet de simuler le comportement sous champ électrique d'une huile en fournissant des informations sur la qualité de celle-ci ; (2) la spectrophotométrie UV/Visible qui permet de mesurer la quantité relative de produits de décomposition dissous dans l'huile ; et (3) la turbidité qui mesure la pureté d'une huile neuve ou usagée. Une méthode quantitative permettant de déterminer les paramètres affectant la formation du soufre corrosif sur les conducteurs en cuivre dans les transformateurs de puissance est proposée. Il est montré entre autres que la tendance au gazage des esters naturels est plus faible que celle de tous les autres types d'huile (minérales, esters synthétiques, silicone). La turbidité et la spectrophotométrie UV/Visible permettent de quantifier efficacement les contaminants qui résultent de l'action d'une décharge électrique sur l'huile isolante. Un nombre important de cycles de régénération (au moins 15) est nécessaire pour qu'une huile vieillie en service retrouve les aptitudes d'une huile neuve. Une nouvelle technique de régénération est présentée pour réduire le nombre de cycles de régénération ; celle-ci consiste à utiliser la terre à foulon traitée avec de l'azote. Il est montré également que le temps constitue le paramètre le plus nuisible dans la formation de soufre corrosif. L'action combinée du temps et de l'agressivité de l'oxygène dissous l'accélère fortement.

Dans ce manuscrit, j'ai brièvement décrit mes activités scientifiques depuis la soutenance de ma thèse de doctorat en physique en fin 2003. J'ai prêté une attention particulière aux recherches axées sur la rhéologie et la capture de particules des suspensions magnétiques. Une grande partie de mes recherches a été focalisée sur l'effet de la forme des particules magnétiques et de l'orientation du champ magnétique sur la contrainte seuil apparaissant dans les suspensions magnétiques suite à l'agrégation de ces particules induite par le champ appliqué. En comparant les microfibres magnétiques aux microsphères magnétiques, il a été montré que la contrainte seuil des suspensions de fibres était d'environ trois fois supérieure à celle des suspensions de sphères soumises aux mêmes conditions. Un tel effet de forme a été expliqué par (1) une perméabilité magnétique plus élevée des agrégats composés de fibres ; (2) une friction solide plus forte entre les fibres. En ce qui concerne l'effet d'orientation du champ, nous avons confirmé expérimentalement un comportement à seuil important dans le cas où le champ magnétique est orienté le long de l'écoulement ou de la vorticité. Un tel effet magnétorhéologique " longitudinal " a été expliqué par des fluctuations stochastiques des agrégats autour de leur orientation d'équilibre; ces fluctuations étant causées par des interactions magnétiques entre agrégats. Une autre partie des études a été focalisée sur la séparation magnétique des nanoparticules en vue de leur application dans la séparation de biomolécules ou l'extraction de micropolluants. On a notamment étudié l'effet de la séparation de phase sur la capture de nanoparticules par des collecteurs magnétiques (microsphères aimantées par un champ magnétique externe). Il a été montré que la séparation de phase augmente considérablement l'efficacité de capture et que ce processus est régi par trois nombres sans dimensions : la concentration en nanoparticules, le paramètre d'interaction dipolaire et le nombre de Mason qui représente le rapport des forces hydrodynamiques sur les forces magnétiques exercées sur les nanoparticules.