Cette thèse porte sur la prévision du comportement dynamique en flexion des rotors feuilletés à cage d'écureuil appelés MGV. La difficulté de la modélisation réside dans la complexité de l'assemblage de la masse magnétique, composée d'un empilement de tôles maintenues par des tirants excentrés précontraints, et d'une cage d'écureuil composée d'une distribution périphérique de barres de court circuit connectées à deux anneaux de court-circuit situés aux extrémités du feuilletage. Un modèle éléments finis de poutres de Timoshenko prenant en compte le caractère monolithique des MGV est développé. Le comportement dynamique latéral des rotors feuilletés est principalement régi par la rigidité de flexion de l'empilement dont les propriétés constitutives sont méconnues ce qui rend délicat la modélisation. Une approche d'identification numérique-expérimentale fournit une loi des propriétés constitutives de l'empilement en fonction des dimensions et précontraintes d'assemblage du feuilletage. Pour cela, les quantités modales calculées et mesurées sont incluses dans une fonctionnelle basée sur un quotient de Rayleigh hybride et combinée à des méthodes de réduction ou d'expansion. Les fonctionnelles proposées ont été testées dans diverses applications Industrielles. La modélisation des efforts centrifuges, de la raideur géométrique et du contact tirants-feuilletage a montré que l'effet de la rotation a une influence non linéaire qui tend à augmenter les forces longitudinales agissant sur le feuilletage et les tirants sans toutefois dépasser la limite élastique des tirants. La conséquence de ce phénomène est l'augmentation de la rigidité de flexion du feuilletage lors de la rotation.

Thesis (MScEng)--Stellenbosch University, 2014. / ENGLISH ABSTRACT: Hydrocyclones are stationary separating machines that separate materials based on centrifugal separation and are widely used in chemical engineering and mineral processing industries. Their design and operation, compact structure, low running costs and versatility all contribute to their applications in liquid clarification, slurry thickening, solid washing and classification. With any of these operations, the overall profitability of the process relies on the effective control of the process equipment. However, in practice, hydrocyclones are difficult to monitor and control, owing to the complexity and difficulty in measuring internal flows in the equipment. Several studies have indicated that hydrocyclone underflow images can be used to monitor process conditions. The research described in this thesis considers the use of image analysis to monitor particle size and solids concentration in the underflow discharge of a hydrocyclone. The experimental work consisted of laboratory and industrial-based case studies. The laboratory cyclone used was a 76 mm general laboratory cyclone. A Canon EOS 400D digital camera was used for the underflow imaging. Image features such as pixel intensity values, underflow discharge width and grey level co-occurrence matrix (GLCM) were extracted from the images using MATLAB Toolbox software. Linear discriminant analysis (LDA) and neural network (NN) classification models were used to discriminate between different PGM ore types based on features extracted from the underflow of the hydrocyclone. Likewise, multiple linear regression and neural network models were used to estimate the underflow solids content and mean particle size in the hydrocyclone underflow. The LDA model could predict the PGM ore types with 61% reliability, while the NN model could do so with a statistically similar 62% reliability. The multiple linear regression models could explain 56% and 40% of variance in the mean particle size and solids content respectively. In contrast, the neural network model could explain 67% and 45% of the variance of the mean particle size and solids content respectively. For the industrial system, a 100% correct classification was achieved with all methods. However, these results are regarded as unreliable, owing to the insufficient data used in the models. / AFRIKAANSE OPSOMMING: Hidrosiklone is stasionêre skeidingsmasjiene wat materiale skei op grond van sentrifugale skeiding en word algemeen gebruik in die chemiese ingenieurswese en mineraalprosessering industrieë. Hul ontwerp en werking, kompakte struktuur, lae bedryfskoste en veelsydigheid dra by tot hul gebruik vir toepassings in vloeistofsuiwering, slykverdikking, vastestof wassing en klassifikasie. In enige van hierdie prosesse hang die oorhoofse winsgewendheid van die proses af van die effektiewe beheer van die prosestoerusting. In die praktyk is hidrosiklone egter moeilik om te monitor en beheer weens die kompleksiteit en moeilikheidsgraad daarvan om die interne vloei in die apparaat te meet. Verskeie studies het aangedui dat hidrosikloon ondervloeibeelde gebruik kan word om die proseskondisies te monitor. Die navorsing beskryf in hierdie tesis maak gebruik van beeldanalise moniteringstegnieke om die ertstipes en grootte- verspreidingsgebiede/ klasse van die ondervloei afvoerpartikels te bepaal. Sodoende word ‘n grondslag gelê vir verbeterde sikloon monitering en beheer. Die eksperimentele werk het bestaan uit beide laboratorium en industrieel-gebaseerde studies. Die laboratorium sikloon wat gebruik is, was ‘n 76 mm algemene laboratorium sikloon. ‘n Canon EOS 400D digitale kamera is gebruik om die hidrosikloon ondervloei beelde vas te vang. Beeldeienskappe soos beeldelement intensiteitswaardes, ondervloei afvoerwydte en grysvlak mede-voorkoms matriks is onttrek uit die beelde deur gebruik te maak van MATLAB Toolbox sagteware. Lineêre diskriminantanalise (LDA) en neural netwerk (NN) klassifikasiemodelle is gebou om te onderskei tussen die verskillende PGM ertse en gebaseer op veranderlikes wat afgelei is uit beelde van die ondervloei van die sikloon. Net so is daar ook gebruik gemaak van lineêre regressie- en neural netwerkmodelle om die vasestofkonsentrasie en gemiddelde partikelgrootte in die ondervloei van die sikloon te beraam. Die LDA model kon die PGM ertstipes met 61% betroubaarheid voorspel, terwyl die neural netwerkmodel dit kon doen met statisties dieselfde betroubaarheid van 62%. Die lineêre regressiemodelle kon onderskeidelik 56% en 40% van die variansie in die gemiddelde partikelgrootte en vastestofkonsentrasie verduidelik. In teenstelling iermee, kon die neurale netwerkmodel 67% en 45% van die variansie in die gemiddelde partikelgrootte en vastestofkonsentrasie verduidelik. In die nywerheidstelsel kon beide tipe modelle perfekte onderskeid tref tussen die partikelgroottes wat gemeet is op opeenvolgende dae van die bedryf van die siklone. Hierdie resultate is egter nie betroubaar nie, a.g.v. die beperkte hoeveelheid data wat beskikbaar was vir modellering.

Cette thèse porte sur la prévision du comportement dynamique en flexion des rotors feuilletés à cage d'écureuil appelés MGV. La difficulté de la modélisation réside dans la complexité de l'assemblage de la masse magnétique, composée d'un empilement de tôles maintenues par des tirants excentrés précontraints, et d'une cage d'écureuil composée d'une distribution périphérique de barres de court circuit connectées à deux anneaux de court-circuit situés aux extrémités du feuilletage. Un modèle éléments finis de poutres de Timoshenko prenant en compte le caractère monolithique des MGV est développé. Le comportement dynamique latéral des rotors feuilletés est principalement régi par la rigidité de flexion de l'empilement dont les propriétés constitutives sont méconnues ce qui rend délicat la modélisation. Une approche d'identification numérique-expérimentale fournit une loi des propriétés constitutives de l'empilement en fonction des dimensions et précontraintes d'assemblage du feuilletage. Pour cela, les quantités modales calculées et mesurées sont incluses dans une fonctionnelle basée sur un quotient de Rayleigh hybride et combinée à des méthodes de réduction ou d'expansion. Les fonctionnelles proposées ont été testées dans diverses applications Industrielles. La modélisation des efforts centrifuges, de la raideur géométrique et du contact tirants-feuilletage a montré que l'effet de la rotation a une influence non linéaire qui tend à augmenter les forces longitudinales agissant sur le feuilletage et les tirants sans toutefois dépasser la limite élastique des tirants. La conséquence de ce phénomène est l'augmentation de la rigidité de flexion du feuilletage lors de la rotation. / This PhD thesis deals with the prediction of the lateral dynamics of squirrel cage laminated rotors known as HSM. The difficulty of the modeling is due to the complexity of the magnetic mass assembly, composed of a core of laminated steel held by excentric prestressed tie rods, and a squirrel cage consisting of a distribution of short-circuit rods also positioned at the periphery of the magnetic mass and connected to two short-circuit rings located at the ends of the laminated core. A finite element model of Timoshenko beams is developed that takes into account the monolithic nature of the HSM. The lateral behavior of laminated rotors is mainly governed by the bending rigidity of the stack whose constitutive properties are unknown and directly related to manufacturing process of the electrical machine which makes the modeling difficult. A numerical-experimental procedure provides the evolution of the constitutive properties of the lamination stack depending on the geometry and prestressed assembly. For this, predicted and measured modal are included in an functional based on a hybrid Rayleigh quotient combined with reduction or expansion methods. The proposed functional have been tested in various industrial. The modeling of the centrifugal loads, the geometric stiffness and the tie rods-stack contact have shown that the rotation effect have an influence that tends to increase the axial forces acting on the stack and the tie rods without exceeding the yield stress of the tie rods. The consequence of this effect is the increase of the bending rigidity of the magnetic core when the electric motor rotates.

La maîtrise de la demande en climatisation des bâtiments tertiaires peut contribuer à la limitation du réchauffement climatique à 2°C. Les réseaux de froid urbain sont une solution pour répondre à cette demande avec une haute efficacité énergétique. Une conduite performante est cependant essentielle pour maintenir et augmenter leurs avantages compétitifs. L'objectif de la thèse est de contribuer à la construction d'un outil d'aide à la conduite journalière des réseaux de froid. La difficulté réside à deux niveaux : la diversité des décisions et la complexité des phénomènes physiques sous-jacents. L'originalité est de proposer une méthodologie pour aider au pilotage des groupes frigorifiques, des tours aéroréfrigérantes, de la pression différentielle et de la répartition de puissance entre des centrales de production aux performances variables. La méthodologie développée est appliquée au réseau de froid de Paris-Bercy exploité par Climespace. Tout d'abord, un modèle intégrant une représentation physique des centrales de production, du réseau de distribution et des sous-stations, est développé. En particulier, un modèle de type semi-empirique, paramétrable sur des mesures, est modifié pour calculer les performances non-nominales des groupes frigorifiques centrifuges. La validation du modèle complet est réalisée sur un jeu de données indépendant de l'identification. Ensuite, le modèle est exploité pour rechercher une conduite optimisée à partir d'un modèle de prévision de la demande. La méthode proposée est séquentielle : résolution a priori des optimisations locales puis génération de modèles quadratiques de centrales servant à déterminer la répartition optimale. La pression différentielle est minimisée à partir de l'identification, par simulation, de la sous-station défavorisée. Enfin, la réduction de la consommation électrique est évaluée sur une semaine d'été. / Cooling demand management of commercial buildings can contribute to limit global warming below 2°C. District cooling is an energy-efficient option. However, improving operational performance is of great importance to ensure and increase its competitive advantages. The aim of this thesis is to contribute to the development of a decision-support tool for daily operation of district cooling networks. Challenges lie at two levels: diversity of decisions to be taken and complexity of physical phenomena involved. The original aspect of our work is to propose a methodology to improve chillers and cooling towers control, differential pressure management and dispatching between production plants with variable efficiency. Our developments are applied to the district cooling of Paris-Bercy, operated by Climespace. First; a model featuring a physical description of chilled-water production plants, distribution network and buildings substations, is developed. In particular, a semi-empirical model with identified parameters is modified to compute non-nominal characteristics of centrifugal chillers. The system model is validated against an independent dataset. Then, the model is used to find optimized controls from cooling loads forecast. The proposed methodology is sequential: pre-computation of optimal set-points at plant level and then generation of quadratic plant models to solve the dispatching optimization problem at each time step. Differential pressure is minimized with a simulation-based tracking of the critical substation. To conclude, electricity consumption reduction with optimized controls is evaluated during a summer week.

Une écoulement de cavité ouverte tridimensionnel saturé non-linéairement est étudié par une approche spatio-temporelle utilisant des données expérimentales résolues à la fois en temps et en espace. Ces données ont été acquises dans deux plans longitudinaux, respectivement perpendiculaire et parallèle au fond de la cavité, dans le régime incompressible, en air ou en eau. À l'aide de multiples méthodes de décompositions globales en temps et en espace, les ondes et les structures cohérentes constituant la dynamique dans le régime permanent et pouvant être produites par des mécanismes d'instabilités différents sont identifiées et caractérisées.Tout d'abord, on approfondit la compréhension de l'effet des non-linéarités sur les oscillations auto-entretenues de la couche cisaillée impactante et leurs interactions avec l'écoulement intra-cavitaire. En particulier, l'analyse spectrale d'une portion de l'espace des paramètres permet de mettre en évidence un lien entre l'accrochage des modes d'oscillations auto-entretenues, la modulation d'amplitude au niveau du coin impactant et l'intermittence de ces modes. De plus, l'observation des basses fréquences intéragissant fortement avec les oscillations de la couche de mélange démontre l'existence d'une dynamique tridimensionnelle intrinsèque à l'intérieur de la cavité malgré les perturbations causées par la couche cisaillée instable.Les analyses de stabilité linéaire ont montré que des instabilités centrifuges peuvent résulter de la courbure induite par la recirculation. L'étude de la dynamique après saturation révèle de nombreuses structures cohérentes dont les propriétés sont quantifiées et classées en s'appuyant sur la forme des instabilités sous-jacentes: des ondes transverses progressives ou stationnaires. Enfin, certains comportements des structures saturées suggèrent que les mécanismes non-linéaires gouvernant le développement de l'écoulement une fois sorti du régime linéaire pourraient être étudiés dans le cadre des équations d'amplitude.

Une écoulement de cavité ouverte tridimensionnel saturé non-linéairement est étudié par une approche spatio-temporelle utilisant des données expérimentales résolues à la fois en temps et en espace. Ces données ont été acquises dans deux plans longitudinaux, respectivement perpendiculaire et parallèle au fond de la cavité, dans le régime incompressible, en air ou en eau. À l'aide de multiples méthodes de décompositions globales en temps et en espace, les ondes et les structures cohérentes constituant la dynamique dans le régime permanent et pouvant être produites par des mécanismes d'instabilités différents sont identifiées et caractérisées.Tout d'abord, on approfondit la compréhension de l'effet des non-linéarités sur les oscillations auto-entretenues de la couche cisaillée impactante et leurs interactions avec l'écoulement intra-cavitaire. En particulier, l'analyse spectrale d'une portion de l'espace des paramètres permet de mettre en évidence un lien entre l'accrochage des modes d'oscillations auto-entretenues, la modulation d'amplitude au niveau du coin impactant et l'intermittence de ces modes. De plus, l'observation des basses fréquences intéragissant fortement avec les oscillations de la couche de mélange démontre l'existence d'une dynamique tridimensionnelle intrinsèque à l'intérieur de la cavité malgré les perturbations causées par la couche cisaillée instable.Les analyses de stabilité linéaire ont montré que des instabilités centrifuges peuvent résulter de la courbure induite par la recirculation. L'étude de la dynamique après saturation révèle de nombreuses structures cohérentes dont les propriétés sont quantifiées et classées en s'appuyant sur la forme des instabilités sous-jacentes: des ondes transverses progressives ou stationnaires. Enfin, certains comportements des structures saturées suggèrent que les mécanismes non-linéaires gouvernant le développement de l'écoulement une fois sorti du régime linéaire pourraient être étudiés dans le cadre des équations d'amplitude. / A space-time study of a three-dimensional nonlinearly saturated open cavity flow is undertaken using time-resolved space-extended experimental data, acquired in both cross-stream and spanwise planes, in incompressible air and water flows. Through use of multiple modal decompositions in time and space, the waves and coherent structures composing the dynamics in the permanent regime are identified and characterised with respect to the instabilities arising in the flow.Effects of nonlinearities are thoroughly investigated in the impinging shear layer, regarding the self-sustained oscillations and their interactions with the inner-flow. In particular, the analysis conducted throughout the parameter space enlightens a global connection between the selection of locked-on modes and the amplitude modulation at the impingement and the mode switching phenomenon. Furthermore, observations of low frequencies interacting drastically with the shear layer flapping motion underline the existence of intrinsic coherent three-dimensional dynamics inside the cavity in spite of the shear layer disturbances.Linear stability analyses have demonstrated that centrifugal instabilities are at play along the main recirculation. The present investigation of the dynamics after onset of the saturation reveals numerous space-time coherent structures, whose properties are quantified and classified with respect to the underlying instabilities: travelling or standing spanwise waves. Finally, some patterns exhibited by the saturated structures suggest that the nonlinear mechanisms governing the mutations of the flow after the linear regime could gain more insight in the frame of amplitude equations.