La simulation numérique directe des couches limites turbulentes nécessite une résolution spatiale élevée, en particulier proche des parois afin de capturer les différentes échelles de longueur inhérentes à la turbulence. Pour réduire le coût de calcul lié à la haute résolution spatiale, nous étudions les techniques qui éliminent la région de paroi en utilisant une condition aux limites artificielle aux bords d’un domaine de calcul réduit. Une stratégie de reconstruction basée sur la POD est mise en œuvre afin de générer des conditions aux limites synthétiques permettant de récupérer les caractéristiques spatiales et dynamiques correctes de la turbulence dans la région centrale du canal. La condition aux limites a été testée à deux hauteurs différentes. Les statistiques du canal réduit ont été comparées à celles du canal complet prise comme valeur de référence. Une bonne concordance est observée pour le profil de vitesse moyenne et la contrainte de cisaillement turbulente. La procédure s’est avérée robuste à la hauteur à laquelle la condition aux limites est imposée et permet une réduction drastique des coûts de calcul. / Direct Numerical Simulation of turbulent boundary layers requires a high spatial resolution specially near the wall to capture the different length scales inherent of turbulence. To reduce the computing cost related to the high spatial resolution, we investigate techniques that bypass the wall region by using an artificial boundary condition at the bound of a reduced computational domain. A reconstruction strategy based on POD is implemented in order to generate synthetic boundary conditions such that the correct spatial characteristics and dynamics of the turbulence are recovered in the core region of the channel. The boundary condition was tested at two different heights. Statistics in the reduced channel were compared with those of a reference case. A good agreement is observed for the mean velocity profile and the turbulent shear stress. The procedure was found to be robust with the boundary height and results in a drastic computational cost reduction.

Les réseaux de capteurs sans-fil sont une nouvelle technologie qui permet de déployer des capteurs hétérogènes et de les faire communiquer sans fil et de façon autonome. Cette capacité nouvelle à surveiller ou instrumenter le monde qui nous entoure ouvre la voie à de nouvelles applications innovantes ou à une évolution majeure d’applications déjà existantes.D’une dizaine de nœuds à plusieurs milliers, les réseaux de capteurs sans fil commencent à conquérir le monde industriel et notre vie quotidienne. Leurs besoins en communications, gestion, génération et stockage de l’énergie, miniaturisation et réduction des coûts ne nécessitent pas seulement de perfectionner les technologies actuelles mais bien d’en inventer de nouvelles. Parmi toutes les applications révolutionnaires des réseaux de capteurs sans fil comme dans la santé, l’environnement, l’industrie et le militaire, l’une des applications les plus transformatrices est la surveillance de structure. La surveillance de structure est l’art de surveiller tout ce qui peut s’abimer, s’user ou tomber en panne. Elle est particulièrement importante dans les domaines des transports et du bâtiment, étant donné que la sécurité des personnes est en jeu. En plaçant aux endroits stratégiques des capteurs sans-fil, il sera possible de prévoir et de prévenir la défaillance d’un pont, l’usure d’un avion ou d’un train ou la déformation d’un bâtiment. La surveillance de structure permet de prévenir les pannes et les défaillances, de réduire les coûts de maintenance et d’améliorer les performances. C’est un processus complexe qui implique plusieurs technologies : des capteurs, la transmission de l’information et l’analyse des données. La nature (accéléromètre, gyroscope, jauge de contrainte, température, pression, fuite, givre, etc. . .), la position ainsi que le nombre de capteurs sont dictés et dépendants des besoins de l’analyse de la structure qui doit être effectuée. De ce fait, les contraintes imposées au système de transmission de données sans fil, afin d’offrir une couverture suffisante de la structure de l’appareil avec plusieurs centaines voire plusieurs milliers de capteurs que leur localisation rendra difficile d’accès, nécessitent des nouvelles innovations en matière d’efficacité énergétique et de performance de communication. Ce travail s’intéresse à la conception et l’implémentation d’un système de transmission de données dans un réseau de capteurs sans-fil. Après une présentation des exigences du système de surveillance de structure aéronautique, l’architecture générale du système de surveillance est décrite. Une couche physique spécifique à haute efficacité énergétique basée sur l’Impulse-Radio UltraWide Band a été conçue. Les designs complets de l’émetteur et du récepteur IR-UWB sont présentés ainsi que l'optimisation du codage canal par rapport à la consommation énergétique. Une couche MAC spécifique permettant un nombre important de nœuds et une efficacité énergétique élevée basée sur du TDMA reconfigurable a été conçue. Plusieurs prototypes ont été implémentés pour valider la conception et démontrer les performances. Ces implémentation utilise des techniques avancées d’optimisation de la consommation énergétique et de reconfigurabilité afin de répondre aux exigences des réseaux de capteurs sans-fil. Des simulations ASIC permettent également de prévoir que ce système permettra de supporter des débits applicatifs de plusieurs centaines de mégabits par seconde, tout en permettant à plusieurs dizaines de nœuds de communiquer. Les performances énergétiques de ce système de communication sont aujourd’hui à l’état de l’art. Enfin, cette technologie de communication sans-fil a été intégrée dans un système complet de deux nœuds capteurs et d’un routeur dans un démonstrateur FPGA / Wireless Sensor Networks (WSN) is an emerging technology which allows deploying wireless communicating autonomous heterogenous sensors. This monitoring capability paves the way for new innovative applications or breakthrough evolution of existing ones. WSN have started to change the industry and our daily lives. Their communication, energy, miniaturization and cost requirements cannot be met by evolutions of current technologies but will require new innovations.Among health, environment, industrial and military applications for WSN, one of the most revolutionary is Structural Health Monitoring (SHM). SHM is the art of monitoring anything which can wear, break down or be damaged. It is of utmost importance in safety sensitive domains such as the transport and construction industries.By placing sensors in carefully chosen locations, SHM will allow failure prediction, cost reduction and improved performance of bridges, planes, building or engines.The tens to thousands of sensors and the huge amount of data generated places a strong burden on the wireless communication of the nodes, which cannot be satisfied with today’s technology. This work presents the design and implementation works such a wireless communication system.Following a presentation of the context and requirement of this work, a general description of the SHM system is given. A specific highly energy efficient physical layer based on Impulse-Radio UltraWide Band (IR-UWB) has been designed.The complete IR-UWB transmitter and receiver are detailed, including the energy efficiency optimized channel coding. A specific Medium Access Control (MAC) layer allowing a large number of communicating nodes based on reconfigurableTime Division Multiple Access (TDMA) was designed. Several prototypes of this system have been implemented to prove feasibility and performance. These implementations employ advanced energy consumption reduction and reconfigurability techniques to answer WSN communication challenges. An ASIC implementation simulation has demonstrated hundreds of megabits per second data rate at state of the art energy efficiency

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

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

La présente thèse propose une étude expérimentale du décollement dans le diffuseur d’un modèle de turbine hydroélectrique bulbe. Le décollement se produit quand la turbine est opérée à forte charge et il réduit la section effective de récupération du diffuseur. La diminution de la performance du diffuseur à forte charge engendre une baisse brusque de l’efficacité de la turbine et de la puissance extraite. Le modèle réduit de bulbe est fidèle aux machines modernes avec un diffuseur particulièrement divergent. Les performances de la turbine sont mesurées sur une large gamme de points d’opération pour déterminer les conditions les plus intéressantes pour l’étude du décollement et pour étudier la distribution paramétrique de ce phénomène. La pression est mesurée le long de l’aspirateur par des capteurs dynamiques affleurants alors que les champs de vitesse dans la zone de décollement sont mesurés avec une méthode PIV à deux composantes. Les observations à la paroi sont pour leur part faites à l’aide de brins de laine. Pour un débit suffisant, le gradient de pression adverse induit par la géométrie du diffuseur affaiblit suffisamment la couche limite, entraînant ainsi l’éjection de fluide de la paroi le long d’une large enveloppe tridimensionelle. Le décollement instationnaire tridimensionnel se situe dans la même zone du diffuseur indépendamment du point d’opération. L’augmentation du débit provoque à la fois une extension de la zone de décollement et une augmentation de l’occurrence de ses manifestations. La position et la forme du front de décollement fluctue significativement sans périodicité. L’analyse topologique et celle des tourbillons des champs de vitesse instantanés montrent une topologie du front de décollement complexe qui diffère beaucoup d’une réalisation à l’autre. Bien que l’écoulement soit turbulent, les tourbillons associés aux foyers du front sont clairement plus gros et plus intenses que ceux de la turbulence. Cela suggère que le mécanisme d’enroulement menant aux tourbillons du décollement est clairement distinct des mécanismes de la turbulence. / This thesis presents an experimental investigation of flow separation inside the diffuser of a small scale model of a bulb turbine. The flow separation occurs when the turbine is operated at high discharge and it reduces the diffuser effective area. In the case of bulb turbines, the kinetic energy recovered by the diffuser represents an important part of the total net head available for the runner energy extraction. The decrease of the diffuser efficiency leads to a sudden drop in the turbine efficiency and in the power extraction. The small scale model is faithful to modern turbines with a particularly divergent diffuser. The turbine performances are measured in a large range of operating conditions in order to select the most interesting ones and to investigate the parametric range of the phenomena. The pressure is measured along the diffuser by flush mounted dynamic sensors while the velocity fields inside the separation zone are obtained by a two-component PIV method. Separation observations on the wall are done using tufts. For a sufficient flow rate, the adverse pressure gradient induced by the diffuser geometry sufficiently weakens the boundary layer, thus leading to fluid ejection from the wall along a large three-dimensional envelope. The three-dimensional unsteady flow separation zone is located in the same area independently of the operating points. The flow rate increase leads to a wider separation zone occurring more frequently. The separation front fluctuates significantly both in location and in shape with no periodicity. Topological and vortex analyses on instantaneous velocity fields show a complex separation front topology which differs greatly from one realisation to another. Despite the highly turbulent flow, the separation front vortices are definitely bigger and more intense than turbulent vortices. It suggests that the roll-up mechanisms leading to separation surface vortices appear to be distinct from those of turbulent vortices.

La modélisation par simulation des grandes échelles (Large-Eddy Simulation - LES) des processus physiques régissant la couche limite atmosphérique (CLA) demeure complexe de part la difficulté des modèles à capter l'évolution de la turbulence entre différentes conditions de stratification. De ce fait, l'étude LES du cycle diurne complet de la CLA comprenant des situations convectives la journée et des conditions stables la nuit est très peu documenté. La simulation de la couche limite stable où la turbulence est faible, intermittente et qui est caractérisée par des structures turbulentes de petite taille est tout particulièrement compliquée. En conséquence, la capacité de la LES à bien reproduire les conditions météorologiques de la CLA, notamment en situation stable, est étudiée à l'aide du code de mécanique des fluides développé par EDF R&D, Code_Saturne. Dans une première étude, le modèle LES est validé sur un cas de couche limite convective quasi stationnaire sur terrain homogène. L'influence des modèles sous-maille de Smagorinsky, Germano-Lilly, Wong-Lilly et WALE (Wall-Adapting Local Eddy-viscosity) ainsi que la sensibilité aux méthodes de paramétrisation sur les champs moyens, les flux et les variances est discutées. Dans une seconde étude le cycle diurne complet de la CLA pendant la campagne de mesure Wangara est modélisé. L'écart aux mesures étant faible le jour, ce travail se concentre sur les difficultés rencontrées la nuit à bien modéliser la couche limite stable. L'impact de différents modèles sous-maille ainsi que la sensibilité au coefficient de Smagorinsky ont été analysés. Par l'intermédiaire d'un couplage radiatif réalisé en LES, les répercussions du rayonnement infrarouge et solaire sur le jet de basse couche nocturne et le gradient thermique près de la surface sont exposées. De plus l'adaptation de la résolution du domaine à l'intensité de la turbulence et la forte stabilité atmosphérique durant l'expérience Wangara sont commentées. Enfin un examen des oscillations numériques inhérentes à Code_Saturne est réalisé afin d'en limiter les effets / Large-eddy simulation (LES) of the physical processes in the atmospheric boundary layer (ABL) remains a complex subject. LES models have difficulties to capture the evolution of the turbulence in different conditions of stratification. Consequently, LES of the whole diurnal cycle of the ABL including convetive situations in daytime and stable situations in the night time is seldom documented. The simulation of the stable atmospheric boundary layer which is characterized by small eddies and by weak and sporadic turbulence is espacialy difficult. Therefore The LES ability to well reproduce real meteorological conditions, particularly in stable situations, is studied with the CFD code developed by EDF R&D, Code_Saturne. The first study consist in validate LES on a quasi-steady state convective case with homogeneous terrain. The influence of the subgrid-scale models (Smagorinsky model, Germano-Lilly model, Wong-Lilly model and Wall-Adapting Local Eddy-viscosity model) and the sensitivity to the parametrization method on the mean fields, flux and variances are discussed.In a second study, the diurnal cycle of the ABL during Wangara experiment is simulated. The deviation from the measurement is weak during the day, so this work is focused on the difficulties met during the night to simulate the stable atmospheric boundary layer. The impact of the different subgrid-scale models and the sensitivity to the Smagorinsky constant are been analysed. By coupling radiative forcing with LES, the consequences of infra-red and solar radiation on the nocturnal low level jet and on thermal gradient, close to the surface, are exposed. More, enhancement of the domain resolution to the turbulence intensity and the strong atmospheric stability during the Wangara experiment are analysed. Finally, a study of the numerical oscillations inherent to Code_Saturne is realized in order to decrease their effects

Les écoulements décollés sont fortement instationnaires, l'objectif de cette thèse a été de localiser et d'identifier les phénomènes à la source de ces instationnarités et de comprendre les processus physiques permettant le transfert de l'information de ces zones sources au reste de l'écoulement. Pour ce faire une analyse des résultats issus de simulations numériques a été réalisée. En étudiant la corrélation et la cohérence entre les positions de choc et les fluctuations de pression, l'interaction a pu être séparée en plusieurs parties distinctes. A l'aide de la théorie des caractéristiques définissant les directions et les cinématiques de propagation de l'information, les liens spatio-temporels entre ces différentes régions ont pu être déterminés. Les résultats de ces études couplés avec ceux issus des expériences ont montré clairement que les phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone de recirculation existant en aval du choc de décollement gouvernent la dynamique de la totalité de l'interaction, aussi bien à basse fréquence qu'à moyenne fréquence. Ainsi les mouvements de choc apparaissent comme le miroir des phénomènes se produisant à l'intérieur de la zone décollée. Une représentation équivalente en fluide non visqueux permettant une description du comportement instationnaire de l'interaction a aussi été proposée. / Separated flow are often strongly unsteady; the aim of this thesis is to localize and identify the sources of the unsteadiness and to understand the physical phenomena governing the information transfer from these source zones to the rest of the flow. To do this, data used for this analysis have been obtained from numerical simulations (LES). Both cross-correlation and coherence between shock motion and pressure fluctuations have shown that the interaction can be split in several distinct zones. The theory of characteristics is used to define the information paths and the propagation velocities, so that the space-time links between these regions have been determined. Both numerical and experimental studies have clearly shown that phenomena present within the recirculation buble govern the whole of the interaction, at low and intermediate frequencies. Indeed the shock motions appears as the mirror of phenomena present in the separated zone. An inviscid equivalent scenario has been proposed to represent the interaction.

L’objectif de cette étude a été de formuler et caractériser des émulsions simples huile/eau d’intérêt pharmaceutique stabilisées par de la β-lactoglobuline (β-lg), de la gomme arabique (GA), de la gomme xanthane (GX) et des mélanges β-lg:GA et β-lg:GX. Les concentrations massiques totales des dispersions de biopolymères étaient de 1 % et ont été augmentées à 2,5 % si les émulsions formulées n’étaient pas stables. Le mélange β-lg:GA a été réalisé à pH 4,2 afin de permettre la formation de complexes par interactions électrostatiques attractives entre la β-lg et la GA. Deux ratios β-lg:GA ont été étudiés : 2:1 et 1:2. Enfin, le mélange β-lg:GX a été effectué à pH 7, où les deux biopolymères étant chargés négativement ne se complexent pas et à un ratio de 1:1. Une étude de stabilité des émulsions a été menée sur 6 mois. Les stabilités obtenues ont pu être classées par ordre croissant : GA 2,5 % < β-lg:GA 2,5 % < β-lg 2,5 % < GX 1 % = β-lg:GX 1 %. Plusieurs mécanismes de stabilisation ont été mis en évidence grâce à l’étude des propriétés interfaciales des biopolymères, à l’étude des propriétés rhéologiques des émulsions et à des observations au microscope confocal à balayage laser des émulsions après marquage des biopolymères à la fluorescence. La β-lg et la GA sont toutes deux capables de s’adsorber à l’interface des globules huileux alors que la GX augmente la viscosité de la phase continue. L’association β-lg:GA conduit à la formation d’une double couche interfaciale stabilisante. Enfin, l’association β-lg:GX combine les mécanismes de stabilisation de la protéine, par adsorption interfaciale et de la gomme, par augmentation de la viscosité de la phase continue. / The main objective of this study was to formulate and characterize oil-in-water simple emulsions of pharmaceutical interest stabilized by β-lactoglobulin (β-lg), gum arabic (GA), xanthan gum (XG), and mixtures of β-lg:GA and β-lg:XG. The total biopolymer final concentration in the dispersions was 1 (w/w) % and could be raised to 2.5 (w/w) % if the formulated emulsions were not stable. β-lg:GA mixing was performed at pH 4.2 to allow attractive electrostatic interactions between the two biopolymers and thus the formation of complexes. Two protein:polysaccharide ratios were investigated: 2:1 and 1:2. Conversely, β8lg:XG mixing was performed at pH 7, where both biopolymers are negatively charged, in order to avoid the complex formation, and with a 1:1 ratio. A stability study was conducted for emulsions over a 6-month period. The obtained stabilities could be classified increasingly: GA 2.5 % < β-lg:GA 2.5 % < β-lg 2.5 % < XG 1 % = β-lg:XG 1 %. Several stabilization mechanisms were evidenced by the study of the biopolymer interfacial properties, the study of emulsion rheology and by confocal laser scanning microscopy observations with labeled fluorescent biopolymers. β-lg and GA were both able to adsorb at the interface of oil globule. XG enhanced the continuous phase viscosity. β-lg:GA mixing led to the formation of a stabilizing interfacial double layer. Finally, β-lg:XG association combined the stabilization mechanisms of both biopolymers, respectively: interfacial adsorption and enhancement of the continuous phase viscosity.

In vitro, la formation de structures de type tubulaire avec des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) a été étudiée en combinant la fonctionnalisation de la chimie des matériaux et le développement de la géométrie tridimensionnelle. Le polycarbonate (PC) a été utilisé comme modèle pour le développement de l'échafaud. Le film de polysaccharide naturel, basé sur un dépôt alternatif couche par couche (LbL) d’acide hyaluronique (HA) et de chitosane (CHI), a d’abord été appliqué sur une surface PC et caractérisé en termes de croissance d’épaisseur microscopie à balayage lascar (CLSM). Cette première fonctionnalisation se traduit par un revêtement complet de la couche PC. Une biofonctionnalisation supplémentaire avec un peptide adhésif (RGD) et deux peptides angiogénétiques (SVV et QK) a été étudiée, immobilisant ces peptides sur le groupe carboxylique de HA précédemment déposé, en utilisant la chimie bien connue du carbodiimide. La version marquée de chaque peptide a été utilisée pour caractériser l’immobilisation et la pénétration des peptides dans les couches de polyélectrolytes, aboutissant à une greffe réussie avec une pénétration complète dans toute l’épaisseur du LbL. Des tests in vitro ont été effectués à l'aide de cellules HUVEC pour évaluer leur efficacité d'adhésion et leur activité métabolique sur la LbL avec et sans immobilisation de peptides, ce qui a permis d'améliorer l'activité préliminaire lorsque des combinaisons de peptides sont utilisées. Enfin, les micro-canaux PC (μCh) ont été développés et caractérisés pour la première fois, et les autres expériences ont été réalisées sur un micromètre de 25 μm de largeur, fonctionnalisé avec une architecture (HA / CHI) 12,5 (PC-LbL) avec des peptides RGD et QK -RGD + QK) ou avec des peptides RGD et SVV (PC-RGD + SVV). Notre première expérience de tubulogénèse a montré de manière surprenante la formation de structures de type tubulaire déjà après 2h d'incubation en utilisant la combinaison double-peptides, mais uniquement avec PC-RGD + QK. Les tubes étaient également présents après 3 et 4 heures de culture. L'expérience de co-culture avec des péricytes humains dérivés du placenta (hPC-PL) montre comment la stabilisation des tubes a été améliorée après 3 et 4 heures également pour l'échantillon de PC-RGD + SVV. Globalement, notre matériel bio-fonctionnel avec les peptides PC-RGD + QK et PC-RGD + SVV permet la formation d'une structure de type tubulaire à la fois dans une expérience de monoculture et de co-culture. / In vitro, tubular-like structures formation with human umbilical vein endothelial cells (HUVECs) was investigated by combining material chemistry functionalization and three-dimensional geometry development. Polycarbonate (PC) was used as a template for the development of the scaffold. Natural polysaccharide’s film based on alternate layer-by-layer (LbL) deposition of hyaluronic acid (HA) and chitosan (CHI), was first applied to PC surface and characterized in terms of thickness growth both, in dry conditions using ellipsometry, and confocal lascar scanning microscopy (CLSM). This first functionalization results in a complete coating of the PC layer. Further biofunctionalization with one adhesive peptide (RGD) and two angiogenetic peptides (SVV and QK) was investigated, immobilizing those peptides on the carboxylic group of HA previously deposited, using the well-known carbodiimide chemistry. The labeled version of each peptide was used to characterize the peptides’ immobilization and penetration into the polyelectrolytes layers, resulting in a successful grafting with complete penetration through the entire thickness of the LbL. In vitro tests were performed using HUVECs to assess their adhesion efficiency and their metabolic activity on the LbL with and without peptide immobilization, resulting in a preliminary improved activity when peptide-combinations is used. Finally, PC micro-channels (μCh) were first developed and characterized, and the rest of the experiments were performed on μCh of 25μm width, functionalized with (HA/CHI)12.5 architecture (PC-LbL) with RGD and QK peptides (PC-RGD+QK) or with RGD and SVV peptides (PC-RGD+SVV). Our first tubulogenesis experiment surprisingly showed the formation of tubular-like structures already after 2h of incubation using the double-peptides combination but only using PC-RGD+QK the tubes were present also after 3 and 4 hours of culture. The co-culture experiment with human pericytes derived from placenta (hPC-PL) demonstrates how the stabilization of the tubes was improved after 3 and 4 hours also for the PC-RGD+SVV sample. Globally our bio-functional material with PC-RGD+QK and PC-RGD+SVV peptides allow the formation of tubular-like structure in both mono and co-culture experiment.