Cette thèse concerne l’étude des ailes oscillantes flexibles et des méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première contribution concerne le développement d’un algorithme de couplage fluide-structure qui prend en charge les interactions entre un solide élastique en grands déplacements et un fluide incompressible. L’algorithme est basé sur une approche partitionnée et permet d’utiliser des codes numériques de mécanique des fluides et de mécanique des solides existants. L’utilisation d’un terme de compressibilité artificiel dans l’équation de continuité du fluide combinée à des choix algorithmiques judicieux permet d’utiliser cette méthode de couplage efficacement avec un code de mécanique des fluides utilisant une méthode de projection de type SIMPLE ou PISO. La seconde contribution est l’étude de l’effet de flexibilité des ailes sur le vol à ailes battantes. Deux principaux régimes de vol sont mis en évidence concernant la déformation de l’aile : déformation causée par la pression et déformation causée par l’inertie. Les effets de ces régimes sur la topologie de l’écoulement et sur les performance de l’aile en propulsion sont discutés. Il est montré que les cas avec des déformations causées par la pression présentent généralement des efficacités plus élevées avec une flexibilité modérée. Il en est de même pour la force de poussée lorsque l’amplitude de tangage est faible. D’autre part, lorsque les déformations sont causées par l’inertie, les performances de l’aile sont généralement réduites. Certains cas montrent une augmentation marginale des performances lorsque le synchronisme des déformations est optimal, mais ces cas représentent davantage une exception que la norme. Il est également démontré que la flexibilité peut être utilisée comme mécanisme de tangage passif tout en conservant des performances intéressantes. Enfin, un modèle d’aile oscillante flexible non contraint est présenté. Il est démontré que le mouvement de déviation observé dans la nature est une conséquence d’un phénomène aérodynamique de mise en drapeau. / This thesis concerns the study of flexible flapping wings and the related numerical methods. It thus contains two distinct themes. The first contribution is the implementation of an efficient fluid-structure interaction algorithm that handles the interaction of an elastic solid undergoing large displacement with an incompressible fluid. The algorithm is based on the partitioned approach and allows state-of-the-art fluid and structural solvers to be used. Stabilization with artificial compressibility in the fluid continuity equation along with judicious algorithmic choices make the method suitable to be used with SIMPLE or PISO projection fluid solvers. The second contribution is the study of the effects of wing flexibility in flapping flight. The different regimes, namely inertia-driven and pressure-driven wing deformations are presented along with their effects on the topology of the flow and, eventually, on the performance of the flapping wing in propulsion regime. It is found that pressure-driven deformations can increase the thrust efficiency if a suitable amount of flexibility is used. Thrust increases are also observed when small pitching amplitude cases are considered. On the other hand, inertia-driven deformations generally deteriorate aerodynamic performances of flapping wings unless meticulous timing is respected, making them less practical. It is also shown that wing flexibility can act as a passive pitching mechanism while keeping decent thrust and efficiency. Lastly, a freely-moving flexible flapping wing model is presented. It is shown that the deviation motion found in natural flyers is a consequence of a feathering mechanism.

Ce mémoire développe la partie électrique du projet de l’hydrogénérateur à ailes oscillantes. Le but est de fournir à l’hydrogénérateur un système de conversion électromécanique avec son électronique de commande. Pour cela, deux types de machines électriques à aimants permanents ont été étudiées afin de déterminer celle qui officiera comme génératrice électrique. La forme du couple hydrodynamique impose le recours à un multiplicateur de vitesse. Un outil de dimensionnement du multiplicateur a été développé à partir d’une approche phénoménologique. Puis le dimensionnement d’inerties est évoqué dans le processus d’optimisation. Un outil d’optimisation complet de la conversion électromécanique a été élaboré en statique. Un autre outil pour la simulation dynamique a été mis au point afin de réaliser un asservissement de la vitesse de la turbine. Le convertisseur statique joue un rôle crucial puisqu’il doit maintenir une ondulation de vitesse de ±10% autour de la consigne pour valider le concept.

L'objectif principal de ce mémoire est de présenter le processus de conception qui a mené à la réalisation d'un prototype expérimental d'hydrogénérateur à ailes oscillantes de 1 kW. Ce dernier a été réalisé de manière à démontrer le potentiel d'extraction d'énergie d'un hydrogénérateur à ailes oscillantes et pour valider certaines prédictions numériques effectuées par le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numériques (LMFN) de l'Université Laval. Une revue de littérature présentant tous les hydrogénérateurs à aile(s) oscillante(s) répertoriés dans la littérature et leur principe de fonctionnement est d'abord présentée. Ensuite, la conception et l'expérimentation d'un premier prototype de petite taille est montrée. Des observations pertinentes quant à la conception du prototype de 1 kW sont aussi incluses. Suit alors la description explicite de la conception de l'embarcation motorisée permettant de faire fonctionner le prototype de 1 kW, la présentation du choix de la topologie de mécanisme et son processus d'optimisation et une description détaillée du prototype de 1 kW lui-même. Les résultats expérimentaux obtenus avec le prototype de 1 kW sont présentés de façon sommaire. Une analyse approfondie de ces derniers sera effectuée par Kinsey ([1]).

Cette thèse a été consacrée à l’étude en laboratoire plusieurs molécules d’intérêt astrophysique par spectroscopie par transformation de Fourier dans l’infrarouge lointain afin de montrer les possibilités offertes par cette gamme spectrale en matière de spectroscopie vibrationnelle et rotationnelle, notamment grâce à l’utilisation du rayonnement synchrotron. Nous nous sommes intéressés à des molécules relativement lourdes, dérivées du naphtalène, pour lesquelles nous avons pu observer les bandes de vibrations de plus basses fréquences. Nous avons également développé différents dispositifs de décharge permettant d’étudier la spectroscopie rotationnelle de molécules instables : molécules légères à haute température et radicaux de petite taille. / This thesis has been dedicated to the laboratory far-infrared Fourier transform spectroscopy of several molecules of astrophysical interest in order to demonstrate the interest of this spectral region for vibrational and rotational spectroscopy, in particular using synchrotron radiation. Low frequency vibrational spectra of nine naphthalene derivatives, relatively heavy molecules, have been studied. Several discharge set-ups have also been developed in order to study rotational spectroscopy of transient species: high temperature light molecules and small radicals.

Cette thèse expérimentale s'intéresse aux mécanismes fondamentaux de la propulsion par ailes battantes. Nous utilisons un modèle simplifié, constitué d'un aileron oscillant placé dans un tunnel hydrodynamique, qui nous permet d'établir un cadre d'études pour l'analyse des sillages produits. En particulier, nous étudions l'influence de la flexibilité de l'aileron sur ces sillages. Nous définissons un espace de paramètres à deux dimensions (fréquence et amplitude du battement), dans lequel nous identifions trois principaux régimes d'écoulements, associés à trois types de sillages tourbillonnaires. La technique de PIV nous permet d'analyser et quantifier précisément les paramètres physiques et géométriques des sillages observés. La force moyenne subie par l'aileron est estimée dans chacun des régimes, à partir d'un bilan standard de quantité de mouvement. Nous localisons ainsi la transition traînée-propulsion dans notre espace de phase. Nous montrons la performance propulsive supérieure des ailerons flexibles par rapport à un aileron rigide, et proposons quelques éléments d'explication à ce résultat.

Les insectes présentent une étonnante diversité morphologique dans les organes de vol, et cette évolution a conduit à leur rayonnement au sein du règne animal. L'une des modifications les plus frappantes est la transformation des ailes postérieures en structures d'équilibrage très réduites, appelées haltères. Des travaux pionniers chez la drosophile ont montré que la spécification des haltères est sous le contrôle du gène Hox Ultrabithorax (Ubx). En revanche, la formation des ailes antérieures est décrite pour être indépendante des gènes Hox, mais cette observation est controversée chez d’autres insectes. Au cours de mon doctorat, j'ai réexaminé le rôle des gènes Hox pour la spécification des organes du vol chez la drosophile. Mes travaux montrent que la protéine Hox Antennapedia (Antp) est exprimée à un niveau faible dans des cellules spécifiques du primordium de la marge et est nécessaire à la formation correcte de l’aile adulte. De manière étonnante, Antp peut également fonctionner comme Ubx et former un haltère quand la protéine est exprimée à des niveaux similaires à ceux de Ubx. Ainsi, la formation d’organes de vol divergents chez la drosophile est directement contrôlée par une dose spécifique de protéine Hox et non par une protéine Hox spécifique. Les gènes Hox sont intrinsèquement liés à l'évolution de la diversité morphologique chez les animaux. Par conséquent, le rôle de la dose des protéines Hox a également été testé d'un point de vue évolutif parmi plusieurs lignages d'insectes. Les résultats montrent que la dose de protéines Hox est à peu près la même entre les primordia antérieur et postérieur d’un insecte à quatre ailes comme Bombyx mori. Dans l’ensemble, mes résultats démontrent que la spécification des organes de vol n’est pas un programme Hox-indépendant et que la variation de la dose des protéines Hox est un moyen de modifier la taille et la forme de l’aile, pouvant ultimement aboutir à la création d’un tout nouvel organe d’équilibrage au cours de l’évolution des insectes. Enfin, au cours de mon doctorat, j'ai également participé à plusieurs projets parallèles visant à identifier et à caractériser le rôle des nouveaux cofacteurs des protéines Hox dans différents contextes développementaux, notamment la spécification de l’haltère et la répression de l'autophagie. Ces travaux s'appuient en partie sur la complémentation de fluorescence bimoléculaire (BiFC), une méthode que nous avons récemment couplée à la panoplie d'outils génétiques de la drosophile pour réaliser des criblages d'interactions protéine-protéine à grande échelle in vivo. / Insects display an astonishing array of diversity in flight appendage morphologies and theirevolution led to the catalyzed radiation of insects in the animal kingdom. The first definite modellinking the Hox genes to morphological evolution was demonstrated in Drosophila. One of themost striking modifications is the transformation of hindwings into highly reduced balancingstructures called halteres. Work in Drosophila established that the specification of halteres isunder the control of a single Hox gene, Ultrabithorax (Ubx). In contrast, the formation of forewingshas been described to be Hox-independent. During my Ph.D., I reconsidered the role of Hox genesfor flight appendage specification in Drosophila. I show that the Hox protein Antennapedia (Antp)is expressed at a low level in specific cells of the wing blade primordium and required for theproper formation of the adult wing. Moreover, Antp works like Ubx to form a haltere whenexpressed in the levels of Ubx. Thus, the formation of divergent flight organs in Drosophila is notdependent on a specific Hox protein but on a specific Hox dose.Hox genes are intrinsically linked to the evolution of morphological diversity in animals.Therefore the role of the Hox dose was also tested from an evolutionary point of view amongseveral insect lineages. Results show that the Hox dose is for example pretty much the samebetween the forewing and hindwing primordia of the four-wing insect species Bombyx mori.Altogether, my results demonstrate that the specification of flight appendages is not aHox-independent developmental program and that the variation in the Hox dose is a way tomodify the wing size and shape, ultimately leading to a completely new balancing organ duringinsect evolution.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette maîtrise s’inscrit dans un projet multidisciplinaire de développement d’une hydrolienne à ailes oscillantes de seconde génération (HAO-2) au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Cette hydrolienne complètement submergée est composée de quatre ailes assemblées sur une base par gravité. Ce mémoire comporte deux volets. Le premier porte sur la conception des circuits de couplage pilonnement-tangage et d’extraction d’énergie de la HAO. Les solutions proposées et une vision de la HAO-2 seront présentées en détail. Un banc d’essai expérimental est conçu pour reproduire le circuit de couplage et simuler le mouvement et les efforts sur une aile. Il permet de démontrer la faisabilité du système élaboré et de déterminer son efficacité. Différents actionneurs de tangage ainsi que différents joints d’étanchéité sont analysés. Seulement les composantes offrant les meilleures performances sont présentées dans ce mémoire. Pour le couplage, un rendement maximal de 80% est mesuré. La modélisation des circuits hydrauliques nécessaire au second volet du projet a été calibrée sur les données expérimentales, notamment le frottement dans les joints d’étanchéité. Le second volet vise à modéliser sur le plan économique un parc HAO à différentes échelles et selon différentes conditions d’opération. Le programme dimensionne l’hydrolienne en fonction des conditions d’opération, puis en estime son coût de fabrication et l’énergie produite annuellement. Il calcule aussi le coût d’installation des turbines, le coût du réseau électrique et de son installation et finalement les dépenses en opération et maintenance (O&M). Le modèle tient également compte de la valeur de l’argent dans le temps en utilisant la valeur présente équivalente. Deux critères de performance sont utilisés pour les comparaisons, le coût de production (CP) et le coût de l’énergie (CE). Par ces critères, plusieurs analyses de sensibilité sont réalisées sur les paramètres importants du modèle. Sans aucun doute, le coût de fabrication et les frais d’O&M dominent largement le coût de l’énergie d’une HAO. Un site d’exploitation en particulier est étudié, près de l’Isle-aux-Coudres, sur lequel un CE de 20 ¢/kWh est obtenu pour un parc de 80 HAO de 1.25MW chacune. / This master’s thesis is part of a multidisciplinary project to develop a second generation of tidal oscillating wings turbine (HAO-2) at Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) from Laval University. This tidal turbine completely submerged is composed of four wings assembled on gravity-based structure. This work has two parts. The first one focuses on the hydraulic circuit design of the pitch-heave coupling and the energy extraction system. Proposed solutions and a vision of the HAO-2 will be presented in detail. An experimental apparatus is designed to reproduce the coupling circuit and simulate the motion and forces on a wing. It allows to demonstrate the developed system feasibility and determine its efficiency. Various actuators and seals are analyzed. Only components with the best performances are presented in this paper. For the coupling system, a maximum efficiency of 80% is measured. Hydraulic modeling necessary for the second phase of the project has also been calibrated on experimental data, especially, friction in seals. The second part treats the economic modeling of a tidal turbine farm at different scales and in different operating conditions. The program designs the turbine depending on the operating conditions, and then, it estimates the construction cost and it calculates the annual energy extracted. It also calculates the installation cost, the electricity infrastructure and their installation cost and finally the operation and maintenance cost (O&M) throughout the farm life time. The model also takes into account the value of money over time by using the net present value. For the cases comparison, the production cost (CP) and the energy cost (CE) are used. Several sensitivity analyses are carried out on the important parameters of the model. As would be expected, the construction cost and the O&M cost are key factors governing the energy cost of HAO. A particular site is studied, near the Isle-aux-Coudres, which a energy cost about 20 ¢/kWh is obtained for a farm with 80 HAO of 1.25MW each.

Nous étudions dans cet ouvrage les archers dans l'armée romaine. Nous établissons leur visage de la fin de la République romaine jusqu'à Trajan à travers les sources littéraires, épigraphiques et archéologiques. Nous examinons par la suite l'efficacité de leurs armes et tentons de montrer qu'elles peuvent refléter un véritable travail technique grâce à une étude métallographique, complétée par des analyses physico-chimiques, du mobilier de pointes de flèche découvert au Puy d'Issolud (Lot), l'antique Uxellodunum: l'objectif principal étant la caractérisation, pour ces armes, des structures métallurgiques, des distributions, des morphologies et compositions des phases et des constituants présents. Il est dès lors possible d'imaginer les différents protocoles d'élaboration et les traitements thermo-mécaniques développés par les forgerons pour leur mise en forme et d'apporter de nouveaux éléments à l'histoire des techniques de la forge en relation avec l'armée romaine et plus particulièrement avec les corps et l'armement des archers.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Ce travail étudie certains des problèmes les plus pertinents dans le sens de la navigation et contrôle présentés dans une classe particulière de mini-véhicules aériens. L'un des principaux objectifs c'est à réaliser un véhicule léger et facile à déployer dans un court laps de temps, un véhicule sans pilote drone capable de suivre une mission complète, du décollage aux points de cheminement suivants et de terminer la mission avec un atterrissage autonome à l'intérieur d'une zone délimitée en utilisant une interface graphique dans un ordinateur ou une tablette. La génération de trajectoire II est la partie qui dit le drone où il doit voyager et sont générés par un algorithme intégré sur le drone. Le résultat classique de Dubins est utilisé comme base pour la génération de trajectoire en 2D et nous avons étendu à la génération de trajectoire 3D. Une stratégie de suivi de trajectoire développée en utilisant l'approche de Lyapunov, est présentée pour piloter un drone à voilure fixe à travers tout le chemin désiré. Le concept clé derrière le contrôleur de suivi de trajectoire s'appuie sur la réduction de la distance entre le centre de masse de l'avion p et le point sur la trajectoire q à zéro, ainsi que l'angle entre le vecteur vitesse et la tangente à la trajectoire. Afin de tester les techniques mises au point au cours de la thèse une application C# -Net personnalisée a été développé nommé MAV3DSim (Multi-Aerial Vehicle 3D Simulator). Le MAV3DSim permet une opération de lecture/écriture de/vers le moteur de simulation à partir de laquelle nous pourrions recevoir toutes les informations de capteurs émulés et envoyés par le simulateur. Le système complet est capable d'effectuer un décollage et d'atterrissage autonome, à travers des points de suivi. Ceci est accompli en utilisant chacune des stratégies développées au cours de la thèse. Nous avons une stratégie pour le décollage et l'atterrissage, ce qui est généré par la partie de navigation qui est le générateur de trajectoire. Une fois que nous avons généré le chemin, il est utilisé par la stratégie de suivi de trajectoire et avec ce que nous avons l'atterrissage et le décollage autonome. / This work studies some of the most relevant problems in the direction of navigation and control presented in a particular class of mini‐aircraft. One of the main objectives is to build a lightweight and easy to deploy vehicle in a short period of time, an unmanned aerial vehicle capable of following a complete mission from take‐o⁄ to the following waypoints and complete the mission with an autonomous landing within a delimitated area using a graphical interface in a computer. The Trajectory Generation It is the part that tells the drone where it must travel and are generated by an algorithm built into the drone. The classic result of Dubins is used as a basis for the trajectory generation in 2D and we have extended it to the 3D trajectory generation. A path following strategy developed using the Lyapunov approach is presented to pilot a fixed wing drone across the desired path. The key concept behind the tracking controller is the reduction of the distance between the center of mass of the aircraft p and the point q on the path to zero, as well as the angle between the velocity vector and the vector tangent to the path. In order to test the techniques developed during the thesis a customized C # .Net application was developed called MAV3DSim (Multi‐Aerial Vehicle 3D Simulator). The MAV3DSim allows a read / write operation from / to the simulation engine from which we could receive all emulated sensor information and sent to the simulator. The MAV3DSim consists of three main elements, the simulation engine, the computation of the control law and the visualization interface. The simulation engine is in charge of the numeric integration of the dynamic equations of the vehicle, we can choose between a quadrotor and a xed wing drone for use in simulation. The visualization interface resembles a ground station type of application, where all variables of the vehicle s state vector can be represented on the same screen. The experimental platform functions as a test bed for the control law prototyping. The platform consists of a xed wing aircraft with a PX4 which has the autopilot function as well as a Raspberry PI mini‐computer which to the implementation of the generation and trajectory tracking. The complete system is capable of performing an autonomous take‐o⁄and landing, through waypoints. This is accomplished by using each of the strategies developed during the thesis. We have a strategy for take‐o⁄ and landing, which is generated by the navigationon part that is the trajectory generator. Once we have generated the path, it is used by the trajectory tracking strategy and withthat we have landing and take‐o⁄ autonomously.