Le développement des hydroliennes se base souvent sur des conditions d'écoulement idéalisées qui ne reflètent pas entièrement le courant présent sur un site réel. Dans cette optique, ce mémoire investigue l'effet d'un écoulement non aligné ou cisaillé sur les performances et le chargement de deux types d'hydrolienne : les hydroliennes à rotor axial (HRA) et à aile oscillante (HAO). Cette étude est réalisée à l'aide de simulations numériques et les résultats démontrent que pour les deux types d'hydrolienne, le désalignement produit une réduction de la puissance et de la traînée, tandis que le cisaillement n'a qu'un effet de second ordre sur ces derniers. Le chargement additionnel sur la structure de support causé par des conditions d'écoulement non idéal est aussi similaire pour les deux technologies. Le désalignement et le cisaillement affectent cependant plus significativement le chargement en fatigue des pales de l'HRA que celui de l'aile de l'HAO. / Le développement des hydroliennes se base souvent sur des conditions d'écoulement idéalisées qui ne reflètent pas entièrement le courant présent sur un site réel. Dans cette optique, ce mémoire investigue l'effet d'un écoulement non aligné ou cisaillé sur les performances et le chargement de deux types d'hydrolienne : les hydroliennes à rotor axial (HRA) et à aile oscillante (HAO). Cette étude est réalisée à l'aide de simulations numériques et les résultats démontrent que pour les deux types d'hydrolienne, le désalignement produit une réduction de la puissance et de la traînée, tandis que le cisaillement n'a qu'un effet de second ordre sur ces derniers. Le chargement additionnel sur la structure de support causé par des conditions d'écoulement non idéal est aussi similaire pour les deux technologies. Le désalignement et le cisaillement affectent cependant plus significativement le chargement en fatigue des pales de l'HRA que celui de l'aile de l'HAO. / The development of hydrokinetic turbines is often based on idealized flow conditions which do not fully refect river or tidal currents. In this regard, this thesis investigates the effect of non-aligned or sheared flows on the performances and loading of two turbine types: the axial rotor (ART) and oscillating foil (OFT) turbines. This study was conducted with unsteady numerical simulations and the obtained results show that for both turbine types, misalignment produces a reduction in power and thrust, while the shear has a limited effect on those quantities. The additional loading on the support structure caused by the non-idealized flow is also similar for both devices. However, misalignment and shear affect more severely the fatigue loading on ART blades than they do for OFT. / The development of hydrokinetic turbines is often based on idealized flow conditions which do not fully refect river or tidal currents. In this regard, this thesis investigates the effect of non-aligned or sheared flows on the performances and loading of two turbine types: the axial rotor (ART) and oscillating foil (OFT) turbines. This study was conducted with unsteady numerical simulations and the obtained results show that for both turbine types, misalignment produces a reduction in power and thrust, while the shear has a limited effect on those quantities. The additional loading on the support structure caused by the non-idealized flow is also similar for both devices. However, misalignment and shear affect more severely the fatigue loading on ART blades than they do for OFT.

Les travaux de cette thèse concernent le rayonnement acoustique d'une source périodique en temps placée dans un conduit Infini, contenant un guide en écoulement parallèle cisaille. Le phénomène est modélise a l'aide de l'équation de Galbrun, dont l'inconnue u est la perturbation de déplacement. L'objectif de cette étude est de développer une méthode éléments Nis, susceptible d'être étendue à des géométries et des écoulements plus complexes. Cette thèse fait suite a celle de Guillaume Legendre qui a établi, dans le cas d'un ecoulement uniforme, une formulation dite régularisée de l'´equation de Galbrun afin de corriger un défaut d'ellipticité. Le but de ce manuscrit est détendre cette méthode à un écoulement non uniforme. La difficulte supplémentaire vient du fait que la vorticite ψ = rot u (qui intervient dans le terme de régularisation) ne peut plus être calculée a priori car le cisaillement induit un couplage entre acoustique et hydrodynamique. En régime dissipatif, nous avons explicite ψ en fonction de u à l'aide d'une convolution (le long des lignes de courant). Si l'ecoulement est lent, cette formule de convolution (qui devient une intégrale très oscillante) peut être approchée par une formule differentielle beaucoup plus simple dont l'utilisation conduit a un modèle ”faible Mach”. Des idées similaires ont ensuite été utilisées pour résoudre le problème non dissipatif, a l'aide de couches PML. Les deux approches (exacte et ”faible Mach”) ont été validées par des tests numériques en 2D et en 3D.

Titre de l'écran-titre (visionné le 24 juillet 2023) / Ce mémoire vise à identifier et caractériser les phénomènes d'écoulement dans le cône de la turbine modèle à moyenne chute opérée en marche à vide à la vitesse de synchronisation et installée au laboratoire Heki de l'Université Laval. Avec peu de recherches réalisées sur le régime en marche à vide et des machines fonctionnant de plus en plus dans ce régime, le mémoire aidera l'industrie à comprendre par quels mécanismes la machine est endommagée par le régime en marche à vide. Les mesures expérimentales ont utilisé la vélocimétrie par image de particules stéréoscopique dans un plan radial-axial du diffuseur conique. Les mesures étaient calées sur la position de la roue de turbine de façon verrouillé en phase). Cette méthode de mesure a été appliquée à deux hauteurs dans le diffuseur conique pour couvrir la majeure partie de sa hauteur. Les phases mesurées sont équidistantes d'un intervalle de 6° et couvrent 360°. Pour la section de mesure supérieure, une résolution plus fine de 3° a été utilisée entre les phases 300° et 360°. La structure d'écoulement globale discutée dans la littérature s'est avérée présente dans le modèle étudié et a été mis en évidence. Un débit à haute vitesse avec une grande vitesse tangentielle et axiale a été mesurée près de la paroi interne du cône. Une zone de recirculation avec des vitesses beaucoup plus faibles a été mesurée au centre du diffuseur. La couche de cisaillement mentionnée par quelques auteurs a été caractérisée par le calcul des composantes de cisaillement. L'écoulement s'est avéré ne pas être axisymétrique. Des traces de tourbillons inter-aubes dans le diffuseur conique ont été trouvées dans les mesures à moyenne de phase, comme cela avait été prédit par les simulations numériques. / This thesis aims to characterize the flow and identify flow phenomena in the draft tube of the Tr-Francis medium head model turbine operated at speed-no load and installed at the Heki laboratory at Laval University. With little research accomplished on the speed no-load regime and machines being operated increasingly in this regime, the thesis will help the industry understand by what mechanisms the machine is damaged by the no load regime. The experiments used stereoscopic particle image velocimetry in one radial-axial plane of the conical diffuser. The measurements were locked on the position of the turbine runner (phase-locked). This measurement method was applied at two heights in the conical diffuser to cover most of its height. The measured phases are equally spaced at an interval of 6° and cover 360°. For the upper measurement section, a finer resolution of 3° was used between phases 300° and 360°. The global flow structure discussed in the literature was found to be present in the studied model. A high velocity throughflow with a large tangential and axial velocity was measured near the diffuser's inner wall. A recirculation zone with much lower velocities was measured at the center of the diffuser. The shear layer mentioned by a few authors was characterised by calculating shear strain components. The flow was found not to be axisymmetric. Traces of inter-blade vortices in the draft tube were found in the phase-averaged measurements as was predicted by the numerical simulations.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Il est présenté dans ce mémoire une approche globale d’étude et de modélisation des interactions entre particules dans les fluides magnétorhéologiques. D’abord, une campagne expérimentale étudiant l’augmentation de la capacité de transmission d’une contrainte de cisaillement du fluide par une compression est présentée. Les essais ont démontré que l’augmentation pouvait atteindre plusieurs dizaines de fois la capacité initiale sans compression. Une base macroscopique d’observation des interactions entre particules est obtenue. Ensuite, l’élaboration d’une simulation par éléments discrets appliquée aux fluides magnétorhéologiques est présentée. Elle permet, entre autres, l’observation qualitative de l’arrangement des particules et de leur état de force. Finalement, les bases d’un modèle mathématique fondé sur l’hypothèse d’un milieu continu micro-polaire appliqué aux fluides magnétorhéologiques sont proposées. Une méthode d’homogénéisation est proposée afin de mettre à profit l’information tirée de la campagne expérimentale et de la simulation de particules pour obtenir les lois de comportements rhéologiques. / Because of their great potential in mechanical design, magnetorheological fluids have been the subject of a lot of research during the last decade. Although they are already used in some semi-active dampers, their use in other promising technologies such as magnetorheological clutches remains not usual. The main reason for this lack of representation in clutch technologies is the relatively low shear stress transmission capability of these fluids. As a solution, some researchers proposed the application of a compressive stress on the fluid layer while maintaining a magnetic field. As a result, the shear stress transmission capability increases significantly. This effect has been called the Squeeze-Strengthen effect. This effect focuses on the significant interactions between the ferromagnetic particles present in the fluid. This master thesis proposes a global approach to study and model the interactions between particles in magnetorheological fluids. First, experiments are performed to study the Squeeze-Strengthen effect in the context of clutch technologies. The tests have shown that shear stress transmission capacity can be easily increased more than ten times the initial capacity without compression. Then, a numerical model based on the discrete elements method applied to the magnetorheological fluids is proposed. This simulation allows the determination of the state of forces on each particle considered in the model. Some qualitative observations of the particle structure can be made from this simulation. Finally, the bases of a mathematical model of continuum mechanics applied to the magnetorheological fluids are posed. In order to take the particle interactions into account, the assumption of a micro polar medium is made. An homogenization technique is proposed as a way to use the information obtained from the numerical simulations and the experimental investigations in order to obtain the rheologic behaviour laws.

Du point de vue de l’évolution galactique, les nuages moléculaires sont des structures importantes puisque les étoiles y naissent et en héritent leurs propriétés. La formation des molécules à partir du gaz atomique neutre, omniprésent dans le disque de la Galaxie, s’avère donc une étape-clé dans le processus de formation stellaire. Pour générer rapidement des conditions favorables à la chimie moléculaire, i.e. du gaz froid et dense protégé du champ de rayonnement ionisant de la Galaxie, deux modèles de simulations numériques sont envisagés : les écoulements convergents de gaz atomique neutre chaud (WNM) et les écoulements de WNM dont la turbulence est forcée dans l’espace de Fourier. Combinée avec la compression fournie par ces écoulements, l’instabilité thermique résultante des processus de chauffage et de refroidissement du milieu interstellaire engendre des structures de gaz atomique neutre froid (CNM) qui sont des foyers potentiels de formation moléculaire. Dans le même ordre d’idées, des observations récentes de nuages diffus à haute latitude galactique ont montré une corrélation spatiale entre de grands cisaillements de vitesse dans les spectres de la raie à 21 cm de l’hydrogène atomique (HI) et la présence de pics d’émission de molécules telles que le monoxyde de carbone (CO) ou encore l’hydroxyde (OH). Partant de l’hypothèse que ce cisaillement favorise la formation des molécules, des simulations numériques à partir des deux modèles mentionnés précédemment ont été effectuées pour vérifier si la grandeur de ces cisaillements pouvait être reproduite. Une comparaison des deux modèles est effectuée quant à leur capacité à reproduire la grandeur des cisaillements ainsi que les propriétés des structures de gaz froid dans l’environnement solaire et à haute latitude galactique. / From a galactic evolution standpoint, molecular clouds are important structures since they give birth to stars and their properties. Molecule formation from the neutral atomic medium, which is ubiquitous in the Galactic disc, is therefore a key step in the stellar formation process. To rapidly generate favorable conditions for molecules to appear, i.e. to obtain cold and dense gas shielded from the ionizing radiation field of the Galaxy, two numerical simulation models are considered: warm neutral atomic gas (WNM) colliding flows and WNM flows with turbulence driven in Fourier space. Together with the compression provided by these flows, the thermal instability arising from the cooling and heating processes in the interstellar medium produces long lived cold atomic neutral gas (CNM) structures that are potentiel molecular formation sites. Recent observations of diffuse gas at high galactic latitude were undertaken and display CO and OH emission peaks wherever large velocity shears in atomic hydrogen (HI) spectra are present or where HI components merge. Numerical simulations with the two models mentionned above were undertaken in order to investigate whether the amplitude of these velocity shears can be reproduced or not and to examine how they are related to cold gas. Both cloud formation models are then compared to each other and with observations of cold gas structures in the solar neighbourhood and at high galactic latitude.

Dans cette thèse, nous proposons de décrire la dynamique d'un film liquide mince entraîné par un écoulement gazeux. Dans une première partie, nous montrons comment écrire des modèles à une équation, sur la hauteur, ou à deux équations, sur la hauteur et le débit, à partir des équations de Navier-Stokes en utilisant la méthode des développements asymptotiques. Nous étudions alors les propriétés des systèmes ainsi obtenus. Dans la deuxième partie, nous utilisons la même méthode pour étendre les modèles aux cas des écoulements sur une topographie quelconque mais aussi aux écoulements bi-couches à surface libre et les écoulements de deux fluides entre deux plaques. La dernière partie consiste en une étude numérique d'un écoulement cisaillé à l'aide du code SLOSH et d'une application d'un des modèles trouvé dans le cas de deux fluides superposés à surfaces libres.

L’épithélium digestif est recouvert d’une couche protectrice de mucus, qui est un hydrogel perméable et viscoélastique. La couche de mucus est formée d'un réseau de fibres de mucines. Ces dernières sont des glycoprotéines de haut poids moléculaire avec un squelette protéique riche en sérine et thréonine, lié à une grande variété de O-glycanes qui représentent une source nutritionnelle pour les bactéries et/ou des ligands potentiels pour les adhésines bactériennes, contribuant ainsi probablement à la sélection et l'implantation d'un microbiote régio-spécifique. Nous nous sommes intéressés aux capacités muco-adhésives de L. lactis TIL448 par le couplage de (i) la microscopie à force atomique (AFM), à l'échelle de la cellule unique et en mode statique et (ii) la méthode hydrodynamique en chambre à écoulement cisaillé, à l'échelle de l’ensemble de la population bactérienne. Dans l'optique d'identifier la nature et le rôle fonctionnel des déterminants de surface mis en jeu, nous avons testé, outre la souche sauvage, la souche curée de plasmides TIL1230 et deux mutants TIL1289 et TIL1290, altérés dans la synthèse de pili et d'une protéine "mucus-binding", respectivement. Pour relier les propriétés muco-adhésives et diffusives de L. lactis, les capacités de migration de la souche TIL448 et de ses dérivés ont ensuite été évaluées dans des suspensions de PGM à concentration variable (0,5% et 5% (m/v)), en mettant en œuvre une nouvelle méthode "Diffusion Front Tracking" (DFT). Cette méthode consiste à suivre le front de diffusion de la suspension bactérienne au cours du temps au sein du réseau de PGM, dans une chambre de Hele-Shaw, couplée à une caméra CCD. Les bactéries L. lactis sont préalablement marquées avec la fuschine pour mieux visualiser le front de diffusion. Par ailleurs, nous avons démontré que les bactéries L. lactis ont tendance à être plus diffusives dans PGM 0,5% (m/v) que dans PGM 5% (m/v). La microstructure du réseau de mucines a donc été caractérisée par des approches de microrhéométrie 1 point (1P) et 2 points (2P) et de suivi de particules fluorescentes / The digestive epithelium is covered with a protective mucus layer, regarded as a viscoelastic and permeable hydrogel. Mucins are large glycoproteins with a serine and threonine-rich protein backbone, linked to a wide variety of O-linked oligosaccharide side chains arranged in a bottle-brush configuration. Such O-glycans are nutritive sources for bacteria and/or potential ligands for bacterial adhesins, probably contributing in this way to the selection of the species-specific microbiota. In this thesis, we focused on unraveling multi-scale interactions between a vegetal L. lactis subsp. lactis isolate, TIL448 and a model mucin, Pig Gastric Mucin (PGM). Our study, based on the combination of different biophysical approaches and tools, has allowed dissecting the muco-adhesive and diffusive phenotype of L. lactis TIL448, in relation with the nature of the bacterial surface determinants and the structural, mechanical and rheological properties of the PGM network. Firstly, the muco-adhesion of TIL448 were examined using the single-cell scale AFM measurements with dedicated lacto-probes and shear stress flow chamber experiments at the bacterial population level, under laminar flow conditions. We also tested the plasmid-cured strain and two mutants, obtained by disruption of the genes encoding the major pilin and the mucus-binding protein. Then, the diffusion ability of L. lactis was determined by implementing a novel method, named Diffusion Front Tracking (DFT). It consists of tracking the diffusion front of stained cell suspensions over time within the PGM network. In a second part, in order to have a more thorough understanding of the L. lactis muco-adhesive and diffusive ability, the microstructure and mechanical properties of PGM were determined. Gel microstructure for varying PGM concentration was probed by the analysis of diffusivities of 200-nm and 500-nm fluorescent nanoparticles with different surface properties (carboxyl-terminated, amine-terminated and neutral charged tracers), using fluorescence Multiple-Particle Tracking

Nous avons étudié expérimentalement les fluctuations de micro-particules browniennes piégées à l'aide de pinces optiques dans un réseau de puits de potentiels voisins. Nous donnons un descriptif général du montage expérimental, puis détaillons quatre utilisations différentes du système. Nous avons d'abord utilisé une unique particule dans un double puits de potentiel pour modéliser un système mémoire à deux niveaux, avec lequel nous avons vérifié le principe de Landauer sur le coût minimal en énergie pour l'effacement d'un bit d'information. Nous avons également appliqué une version détaillée d'un théorème de fluctuation à la procédure d'effacement de l'information pour retrouver la limite énergétique attendue. Nous avons ensuite étudié l'interaction hydrodynamique entre deux particules dont l'une est soumise à une température effective. Nous avons montré qu'il n'y a pas de fluctuations anormales lors de la transition sol-gel de la gélatine, contrairement à ce qui avait été observé précédemment, et que ce système ne pouvait donc pas être utilisé pour étudier des températures effectives. En revanche, nous avons montré que l'ajout d'un forçage aléatoire bien choisi sur la position d'un piège créait une température effective. Nous avons montré que le forçage d'une des particules résultait en une corrélation instantanée entre les mouvements des deux particules, et s'accompagnait d'un échange de chaleur de la particule virtuellement chaude à la particule froide en équilibre avec le bain thermique. Nous avons obtenu un bon accord entre les données expérimentales et les prédictions d'un modèle de couplage hydrodynamique. Enfin, nous décrivons l'utilisation de canaux micro-fluidiques pour réaliser un écoulement cisaillé à l'échelle micrométrique, et nous discutons de la possibilité d'interpréter un cisaillement en terme de température effective en testant une relation de fluctuation-dissipation. / We experimentally study the fluctuations of Brownian micro-particles trapped with optical tweezers arranged in various spatial configurations. We give a general description of the set-up and detail four different experiments we conducted. We first use a single particle in a double-well potential to model a two-state memory system. We verify the Landauer principle on the minimal energetic cost to erase one bit of information, and we use a detailed version of a fluctuation theorem to retrieve the expected energetic bound. We then use two particles in two different traps to study the hydrodynamic interactions between two systems kept at different effective temperatures. Contrary to what was previously observed, we show that the sol-gel transition of gelatine does not provide any anomalous fluctuations for the trapped particle when the sample is quenched below gelification temperature. However, we show that an effective temperature is created when a well chosen random noise is added on one trap position. We demonstrate that the random forcing on one particle induces an instantaneous correlation between the two particles motions, and an energy exchange from the virtually hot particle to the cold one, which is in equilibrium with the thermal bath. We show a good agreement between the experimental data and the predictions from an hydrodynamic coupling model. Finally, we describe the use of micro-fluidic channels to create a shear flow at the micron size, and we discuss the possibility to interpret the force due to the shear-flow in terms of an effective temperature by testing a fluctuation-dissipation relation.