Based on an analysis of the causes of non-convergence in the effective heat capacity methods a new conservative effective heat capacity method is developed for general phase change heat transfer problems. Numerical experiments verified the accuracy and efficiency of the new method. / A multi-layer phase change material (PCM) heat transfer module is proposed for latent heat energy storage. Cyclic heat transfer in the module was modelled using the finite element technique. A parametric study was performed to investigate the energy charge/discharge rates for the new design. / A second-law thermodynamic analysis was carried out for thermal energy storage using multiple PCMs. The exergy efficiency of energy storage units using two, three as well as five different PCMs was analyzed and compared with that using a single PCM. / A novel cone-cylinder design configuration is proposed for a shell-and-tube latent heat energy storage exchanger. A finite element model was developed to simulate the coupled convection and cyclic melting/freezing phase change heat transfer occurring outside the tube. The advantages of the new configuration are examined and discussed with the help of numerical experiments. Following the new design configuration a novel multi-exchanger energy storage system is proposed. Finite element simulation results validated and extended the thermodynamic analytical results. / A new solar thermal storage unit using multiple PCMs was proposed and analyzed by a finite element model. A parametric study was carried out to investigate the advantages of the new design when compared with conventional single PCM designs. / Finally, a finite element model for melting and freezing heat transfer including free convection in the melt region was developed. The streamline upwind/Petrov-Galerkin method was employed to enhance both the stability and accuracy of the numerical solution. Using this finite element model simulations were carried out for melting of a PCM in a rectangular cavity heated from below. Flow patterns and local heat flux distributions at the heating surface are presented and discussed. In addition, melting of a PCM in a rectangular cavity with an isothermal vertical wall was simulated. To enhance the heat transfer rate during the last stage of the melting process, inverting the PCM container is shown to be an effective technique; this idea was examined with a parametric study.

The ability to model and predict debris flows, mudflows and sediment transport is currently hindered by a poor understanding of the fundamental aspects of solid-liquid flows. The present work attempts to further our knowledge through experimental studies of flows of highly concentrated, solid-liquid suspensions down inclines. / Preliminary experiments, measuring grain velocities for two sizes of sand and two surface inclination angles were performed in a tank of stationary water. When sub-aqueous debris flows were developed by releasing Ottawa sand from a hopper onto a rough bed, various phenomena were observed: nonuniform flows, static dead-flow regions, uniform flows and roll waves. Uniform flow was possible for a range of bed inclination angles larger than the angle of internal friction of the sand. The flow became unstable and roll waves developed at higher slopes and lower depths of flow. / Following these exploratory experiments, more detailed, controlled experiments were carried out using a non-intrusive method of velocimetry. The flowing mixture was made up of glass particles and a liquid having the same index of refraction. By passing planes of laser light through the free surface of flows at various distances from the glass sidewalls of the channel and recording video images, it was possible to identify the particles and determine the three-dimensional velocity and concentration profiles. Experiments were performed for various bed inclination angles. / Further experiments were performed with the aim of correlating the data in the form of a generalized Vedernikov formula for debris flows that relates velocity, flow depth, concentration and bed inclination angle. Various liquid-solid mixtures were used, and the variations of the average velocity with depth and sloped inclination angle were studied for different discharge-rates and solids fractions. Very different behavior was observed for the macro-viscous and transitional regimes, as defined by Bagnold. Such correlation was obtained for the macro-viscous regime; the nondimensional parameters that appear in the model involve the particle diameter, density and concentration and fluid viscosity and density. The model was compared with about 200 sets of data and good agreement was obtained.

An experimental investigation of the influence of the large-scale features of turbulent flows on the mixing of a passive scalar therein is presented. Given the direct relationship between the large scales of turbulent flows and the geometrical configuration of the flow, two distinct sets of experiments are conducted in which the dependence of the scalar mixing on the (i) scalar- and (ii) velocity-field boundary conditions is studied. The first set of experiments is conducted in the plane wake downstream of a circular cylinder. To vary the scalar-field boundary conditions, while maintaining a hydrodynamically identical flow field, two different heat injection mechanisms are employed. First, a heating element is embedded within the cylinder that generates the hydrodynamic wake. When the element is energized, the wake is therefore heated by means of a "heated cylinder." Second, an array of fine, Nichrome wires is installed downstream of the cylinder. This configuration, known as a "mandoline," has been demonstrated to have a negligible influence on the velocity field, due to the small diameter of the wires. Using this apparatus, multiple velocity and passive-scalar statistics are examined. The measurements suggest that certain small-scale statistics may be contaminated by the large-scale features of the scalar field. Consequently, it is of interest to determine why such statistics exhibit these dependencies. In particular, the passive scalar structure functions, and their inertial-convective-range scaling exponents, along with the mixed velocity-temperature structure functions and the (non-centered) autocorrelations of the dissipation rate of scalar variance are employed to obtain quantitative estimates of the internal intermittency of the passive scalar field. It is revealed that the high-order passive scalar structure function scaling exponents display a significant difference when comparing the results generated using different heat injection mechanisms. Upon examination of the kurtosis structure functions of the temperature difference, the present work suggests that passive scalar structure function scaling exponents exhibit a dependence on the scalar-field boundary conditions due to the finite (and different) Péclet numbers of the flows under consideration — an effect that is significantly less prominent in the measurements of the mixed velocity-temperature structure functions and the (non-centered) autocorrelations of the dissipation rate of scalar variance. The second set of experiments consists of a study of the scalar field downstream of a concentrated line source within a fully-developed, high-aspect-ratio channel flow. However, unlike previous dispersion measurements employing concentrated sources, the current research employs a line source oriented in the direction of the inhomogeneity of the velocity field. Consequently, the resulting wake downstream of the line source is statistically three-dimensional. In such an arrangement, the velocity field at each wall-normal position is different, since the velocity field in the current configuration is solely a function of the wall-normal distance. The resultant mixing is studied using a variety of statistics, including the mean and root-mean-square temperature distributions, probability density functions of the temperature fluctuations, as well as the (turbulent) intensity of the scalar fluctuations. These results are contrasted with prior transverse dispersion measurements in which the scalar dispersion remains statistically two-dimensional, in an attempt to elucidate the effect of the velocity-field boundary conditions. The findings suggest that both the mean flow shear and turbulence intensity of the velocity field play an important role in determining the mixedness of the scalar field. / Une étude expérimentale de l'effet des caractéristiques à grandes-échelles des écoulements turbulents sur le mélange d'un scalaire passif y est présentée. Étant donné la relation directe entre les grandes échelles des écoulements turbulents et la configuration géométrique de l'écoulement, deux ensembles d'expériences distincts sont menés dans lesquels la dépendance du mélange d'un scalaire sur les conditions limites du (i) champ scalaire et (ii) champ de vitesse est étudiée. Le premier ensemble d'expériences est réalisé dans le sillage d'un cylindre circulaire. Pour varier les conditions limites du champ scalaire, tout en gardant le même écoulement hydrodynamique, deux mécanismes d'injection de chaleur différents sont utilisés. Premièrement, un élément chauffant est incorporé dans le cylindre qui génère le sillage hydrodynamique. Lorsque l'élément est mis sous tension, le sillage est donc chauffé au moyen d'un « cylindre chauffé ». Deuxièmement, un ensemble de fils fins est installé en aval du cylindre. Cette configuration, connue sous le nom de « mandoline, » s'est avérée d'avoir une influence négligeable sur le champ de vitesse, en raison du faible diamètre des fils. Par conséquent, l'une des deux configurations peut être utilisée pour chauffer le sillage, sans modifier le champ de vitesse, et de nombreuses statistiques du champ scalaire et du champ de vitesse sont examinées. En particulier, les fonctions de structure du champ scalaire (et leurs exposants d'échelle), ainsi que les fonctions de structure mixte vitesse-température et les autocorrélations (non-centrées) du taux de dissipation de la variance scalaire, sont utilisées pour obtenir des estimations quantitatives de l'intermittence interne du champ scalaire. Il est conclu que les exposants d'échelle des fonctions de structure du champ scalaire passif présentent une différence importante lorsque l'on compare les résultats obtenus en utilisant de différents mécanismes d'injection de chaleur. Lorsque l'on examine les fonctions de structure du coefficient d'aplatissement de la différence de température, ce mémoire suggère que les exposants d'échelle des fonctions de structure démontrent une dépendance aux conditions limites du champ scalaire en raison des nombres de Péclet finis (et différents) des écoulements étudiés — un effet qui est nettement moins important dans les fonctions de structure mixte vitesse-température et les autocorrélations du taux de dissipation de la variance scalaire.Le deuxième ensemble d'expériences consiste d'une étude du champ scalaire en aval d'une source concentrée linéaire dans un écoulement de canal pleinement développé, ayant un rapport hauteur-largeur élevé. Contrairement à des mesures de dispersion précédentes utilisant des sources concentrées, ce travail emploie une source linéaire orientée dans la direction de l'inhomogénéité du champ de vitesse. Par conséquent, le panache thermique créé par la source linéaire est (statistiquement) tridimensionnel. Dans une tel configuration, le champ de vitesse à chaque distance du mur est différent, puisque le champ de vitesse dans la configuration actuelle est uniquement une fonction de la distance du mur. Le mélange du scalaire passif est étudié en utilisant une variété de statistiques, incluant la moyenne et la moyenne quadratique du champ de température, des fonctions de densité de probabilité des fluctuations de température, ainsi que l'intensité (turbulent) des fluctuations scalaires. Ces résultats (i) exposent les différences entre ces mésures et celles de dispersion transverse, dans lesquelles la dispersion du scalaire reste statistiquement bidimensionel, et (ii) facilitent l'élucidation des effets des conditions limites du champ de vitesse sur le mélange d'un scalaire passif. Les résultats suggèrent que le cisaillement de l'écoulement moyen et l'intensité turbulent du champ de vitesse jouent un rôle important dans la détermination du niveau de mélange du champ scalaire.

The prediction and control of the turbulent mixing of passive scalars is of particular interest to a variety of engineering fields. The present research aims to improve our incomplete understanding of this subject. In this regard, we study, by means of both experiments and numerical simulations, the evolution of a passive scalar (temperature) injected in a highly anisotropic manner at small scales into an inhomogeneous turbulent flow. The source of the scalar consists of a fine heated wire placed in the flow, generating a thermal plume downstream. Multiple phenomena (including turbulent mixing within the plume, molecular diffusion, etc.) play a role in the evolution of the temperature fluctuations which dissipate with increasing distance from the source. The scalar dissipation rate represents the rate at which the scalar variance is destroyed. The dissipation process occurs at the smallest scales of the turbulence and is still not completely understood. In this work, particular attention is paid to the evolution of the three components of the scalar dissipation rate to further understand the small scales of the scalar field and, in particular, examine the return to isotropy of the (anisotropically-generated) scalar field. The experiments were carried out in a turbulent channel flow facility. The scalar fluctuations were measured by means of cold-wire thermometry and the rate of dissipation was determined by estimating the derivatives of the temperature fluctuations. The transverse derivatives were estimated using a pair of parallel cold-wires, whereas the longitudinal derivative was estimated using a single cold-wire and Taylor's hypothesis. Direct numerical simulations were also performed to both reproduce the experimental results and provide additional data that is experimentally inaccessible. To this end, a new computer program, called 3DFLUX, was developed and implemented. 3DFLUX is a fully three-dimensional, high-order, conservative, monotonicity preserving, flux integralmethod for the solution of the advection-diffusion equation. It is nominally third-order in space and second-order in time, and generates low numerical diffusion and anisotropic distortion. In addition, 3DFLUX, is guaranteed to be free of splitting errors and has a better convergence rate than widely used one-dimensional techniques, such as the piecewise parabolic method (PPM), the weighted essentially non-oscillatory (WENO) method, and the recently-proposed jet scheme, which is based on the level-set method. A detailed presentation of 3DFLUX is reported in this thesis. In contrast with recent research using alternate numerical approaches, we show that the experiments and numerical simulations are in excellent agreement for both the large- and small-scales statistics of the scalar field. In addition, combining the obtained results with the two approaches enable us to analyze and provide insight on the nature ofa turbulent scalar plume injected at small scales. We show that the return to isotropy of the small scales is never perfectly observed in any region of the channel for the downstream distances studied herein. However, thesmall-scale anisotropy measured in the central region is smaller than the persistent anisotropy observed in the near-wall region, which is found to be most prominent in the numerical simulations, which are performed at a lower Reynolds number than the experiments. The mean velocity gradient plays a key role in the evolution of the rate of dissipation and in this lack of isotropization of the small scales of the scalar field. / Les écoulements fluides turbulents jouent un rôle majeur dans de nombreuses applications industrielles. L'objectif de cetterecherche est d'approfondir notre compréhension des mécanismes mis en jeu lorsque ces écoulements sont utilisés pour le transport ou le mélange de scalaires. Plus précisément, cette étude, qui associe à la fois expérience et simulation numérique, s'intéresse à l'évolution d'une quantité scalaire (la température) lorsque celle-ci est injectée de manièreanisotrope et aux petites échelles de la turbulence dans un écoulement turbulent non-homogène. L'injection de température fût réalisée à partir d'une source linéaire de chaleur (fil fin chauffé), créant ainsi un panache thermique dansl'écoulement. Plusieurs processus physiques tel que le brassage induit par la turbulence ou la diffusion moléculaire au sein du panache, contribuent à l'évolution des fluctuations de température. Ces fluctuations se dissipent avec l'éloignement en aval du point d'injection. Le taux de dissipation de la variance du scalaire représente le taux auquel les fluctuations du champs scalaire sont détruites. La dissipation s'opère aux petites échelles de la turbulence et lesmécanismes qui la mettent en oeuvre sont encore mal compris de nos jours. Dans cette étude, une attention particulière est portée sur l'évolution des trois composantes du taux de dissipation du champs scalaire afin d'en extraire des informations sur le comportement anisotrope des petites structures du champs scalaire. Les expériences fûrent menées dans un écoulement turbulent de canal et les fluctuations du champs scalaire fûrent mesurées au moyen de la thermométrie à fil froid. Le taux de dissipation fût déduit des mesures des dérivéesspatiales des fluctuations de température; les dérivées spatiales transversales étant mesurées à l'aide d'une sonde,spécialement conçue à cet effet. Des simulations numériques directes fûrent mises en oeuvre afin de reproduire les résultats expérimentaux et de fournir des données d'analyse supplémentaires et inaccessibles expérimentalement. Le développement d'un nouveau code numérique appelé 3DFLUX a constitué une partie importante de cette recherche. 3DFLUX est basé sur une méthode numérique d'intégration des flux. C'est un schéma multi-dimensionnel, parallelisable, d'ordre élevé, conservatif et qui garantie la monotonicité de la solution. Nous montrons notamment que 3DFLUX est d'ordre 3 et 2 respectivement en espace et en temps et qu'il présente des taux de convergence supérieurs aux techniques uni-dimensionnelles très répandues telles que les méthodes PPM «piecewise parabolic method», WENO «weigthed essentiallynon-oscillatory» ou une méthode récente nommée «jet scheme» et basée sur des techniques dites «level-set». Une description détaillée de 3DFLUX est rapportée dans cette thèse. En opposition avec des publications récentes et basées sur des méthodes numériques différentes, nos resultats montrent une excellente corrélation entre les approches numériques et expérimentales autant pour les grandes que pour les petites échelles du champs scalaire. Finalement, cette étude apporte plusieurs éléments nouveaux sur l'évolution d'un champs scalaire lorsque celui-ci est injecté à petite échelle dans un écoulement turbulent. Le retour à l'isotropie des fines structures du champs scalaire n'est pas clairement observée dans le canal aux positions, etudiées dans ce mémoire, en aval de la source. Toutefois, l'anisotropie des petites échelles est faible dans la région centrale du canal en comparaison à celle mesurée dans la région pariétale, d'autant plus importante dans les simulations numériques; celles-ci étant réalisées à un nombre de Reynolds qui est inférieur à celui des expériences. Le rôle du gradient de vitesse moyenne dans l'évolution du taux de dissipation est analysé pour justifier ce non-retour à l'isotropie.

In this research the γ-Rẽ_θt transition model is combined with the k-ω SST turbulence model to predict the transition region for a laminar-turbulent boundary layer and redesign the geometry to achieve lower skin friction drag coefficients. The present work addresses several modifications necessary for a robust transition model and investigates the accuracy of the model for a wide range of angles of attack and Reynolds numbers. The transition model is employed to predict the transition locations and an assessment of the various transition mechanisms, Reynolds number effects, sectional characteristics, and aerodynamic performance for two subsonic airfoils are presented with comparisons to experimental data and numerical solutions. Discrete adjoint equations for the transition and turbulence models are derived and implemented into the design framework. The adjoint-based optimization procedure is employed to optimize the S809 wind turbine profile and NLF(1)-0416 airfoil to postpone the onset of transition and extend the natural laminar region of the transitional flow for minimizing the total drag, while maintaining the lift, or maximizing the lift-to-drag ratio. The obtained results demonstrate the ability of the developed optimization framework to design new natural laminar flow airfoils. / Dans cette recherche, le modele de transition γ-Rẽ_θt est combine avec le modele de turbulence k-ω SST afin de predire la transition vers le regime turbulent et d'obtenir des formes aerodynamiques au frottement visqueux minimal. Nous presentons les modifications necessaires a l'amelioration de la robustesse du modele de transition et etudions la precision du modele pour une large gamme d'angles d'attaque et de nombres de Reynolds. Le modele de transition est utilise pour predire le point de transition, pour evaluer les mecanismes de transition ainsi que les differents effets relies au nombre de Reynolds, et pour etudier les caracteristiques et les performances aerodynamique de deux profils aerodynamiques. Des comparaisons avec des donnees experimentales et des solutions numeriques sont presentees. Les equations adjointes discretes des modeles de transition et de turbulence sont derivees et employees dans un processus d'optimization. Cette procedure d'optimisation est utilisee pour modifier le profil d'eolienne S809 et le profil NLF(1)-0416 afin de retarder la transition et d'etendre la zone laminaire de l'ecoulement, de minimiser le coefficient de trainee totale tout en maintenant la portance, ou de maximiser la finesse aerodynamique. Les resultats obtenus demontrent la capacite du processus d'optimisation developpe} a concevoir de nouveaux profils ecoulement laminaire naturel.

Potential impact hazard posed by near Earth asteroids, has motivated researchers to find effective asteroid deflection techniques. The feasibility of using space tethers for asteroid deflection is examined in this dissertation. A simplified model of the asteroid-tether-ballast system, consisting of a point mass model for the asteroid and the ballast, and a rigid massless tether, is developed first. Eventually, more realistic assumptions are considered in the model. The equations of motion of the system are obtained using the Lagrangian approach. The feasibility of using tether-ballast attachment to perturb the motion of the asteroid is demonstrated via numerical simulations. This deflection method is more effective if the asteroid has a high eccentricity orbit. The results show that, by cutting the tether at an appropriate time, the deflection achieved can be increased. Due to the nonlinear nature of the system dynamics, the best point to cut the tether is determined using the simulated annealing optimization method. To obtain a more realistic model of the system, the dynamics of a tether connected to an irregular shaped asteroid is examined. It is shown that the finite size of the asteroid influences the tether dynamics, via the offset between the point of tether attachment and the center of mass of the asteroid. It is observed by analyzing the higher order harmonics in the gravitational potential of the asteroid that the effects of the finite size of the asteroid can be well approximated by considering a spherical asteroid, without losing much of the dynamical behavior associated with the real shape of the asteroid. A more realistic model of the asteroid-tether-ballast system, using a finite size asteroid, and a tether with a non-negligible mass, is developed next. The tether deployment stage, which is an essential part of a real tether based asteroid deflection mission, is considered in the model. Simulation results show that, the rotational motion of the asteroid helps to increase the deflection achieved. It is noted that tether-assisted deflection in more efficient for fast-rotating asteroids than slow-rotating asteroids. A comparison between the asteroid deflection using tethers, gravity tractor deflection method and deflection via a direct impact, is conducted. It is observed that, tether-assisted asteroid deflection is preferable to the other two methods, if the asteroid is rotating fast, and has a high eccentricity orbit. / Les risques potentiels d'impact que représentent les astéroïdes proches de la Terre, ont motivé les chercheurs à trouver des techniques efficaces pour la déviation des astéroïdes. Dans cette thèse, nous avons examiné la possibilité d'utiliser les câbles spatiaux pour la déviation d'astéroïdes. Dans un premier temps, nous avons développé un modèle simplifié du système astéroïde-câble-contrepoids, constitué d'un modèle de masse ponctuelle pour l'astéroïde et le contrepoids, et d'un câble rigide sans masse. Par la suite, nous avons pris en compte des hypothèses plus réalistes dans le modèle. Les équations de mouvement du système sont obtenues en utilisant la méthode de Lagrange. À l'aide de simulations numériques, nous avons démontré la possibilité d'utiliser l'attache câble-contrepoids pour perturber le mouvement de l'astéroïde. Cette méthode de déviation est plus efficace si l'astéroïde a une orbite avec une haute excentricité. Les résultats montrent que, en coupant l'attache à un moment approprié, la déviation atteinte peut être augmentée. En raison de la nature non linéaire de la dynamique du système, le meilleur point pour couper le câble est déterminé en utilisant la méthode d'optimisation du recuit simulé . Afin d'obtenir un modèle plus réaliste du système, nous avons examiné la dynamique d'un câble relié à un astéroïde de forme irrégulière. Il est montré que la taille finie de l'astéroïde influe sur la dynamique du câble, par le décalage entre le point de fixation du câble. Par l'analyse des harmoniques d'ordre plus élevé dans le potentiel de gravitation de l'astéroïde, nous constatons que les effets de la taille finie de l'astéroïde peuvent être bien approximés en considérant un astéroïde sphérique, sans perdre beaucoup du comportement dynamique associé à la forme réelle de l'astéroïde. Par la suite, nous avons développé un modèle plus réaliste du système astéroïde-câble-contrepoids, en utilisant un astéroïde de taille finie, et un câble avec une masse non négligeable. Dans ce modèle, nous considérons que la phase de déploiement du câble est une partie essentielle d'une véritable mission de déviation d'astéroïdes. Les résultats des simulations montrent que le mouvement rotationel de l'astéroïde permet d'augmenter la déviation atteinte. Nous constatons que la déviation assistée par câble est plus efficace pour les astéroïdes à rotation rapide que pour les astéroïdes à rotation lente. Nous avons effectué une comparaison entre la déviation de l'astéroïde à l'aide de câbles, de la méthode de déviation du tracteur de gravité et via un impact direct. Nous observons que la déviation assistée par câble d'un astéroïde est préférable aux deux autres méthodes, si l'astéroïde tourne rapidement, et s'il a une orbite avec une haute excentricité.

Voice problems often involve physical injury and they have serious emotional, functional and economic consequences. The present research project contributes to the development of an injectable biomaterial for potential use in treating vocal fold (VF) lamina propria (LP) scarring disorder. A new biomimetic hydrogel system, based on hyaluronic acid (HA) and gelatin (Ge), with hierarchical structural organization was designed, characterized, and evaluated in vitro and in vivo. This hierarchical composite hydrogel was constituted from hybrid HA–Ge microgels, fabricated through water-in-oil mini-emulsification polymerization, embedded in a secondary HA network. Experiments were performed to investigate the suitability of such hierarchical network for VFLP tissue engineering. Scanning electron microscopy confirmed the spherical topography of the microgels. Scanning confocal microscopy of the microgels, with fluorescently stained gelatin molecules, indicated that gelatin molecules distribute evenly inside and on the HA–Ge microgels. The Young's modulus of the HA–Ge microgels was 22±2.5 kPa. The overall shear elastic modulus was 75±15 Pa at the frequency of 1 Hz. The viscoelastic properties of the biomaterial were in the range of the viscoelastic properties of human VFLP. The finding of in vitro studies using human VF fibroblast cells confirmed that the composite hydrogels benefits from high cell mobility in the external network and controlled cell adhesion by localized dense microgels. Cytotoxicity tests verified the viability of microgels as the cell substrate medium. Particles with submicrometer diameter were more effective than the larger microgels in establishing cellular adhesion and spreading. Crosslinking of the particles to the external network significantly improved the functionality of the particles as cell substrate medium. The material showed promise for the tissue engineering of VFLP. The composite injectable material was injected into rat vocal fold five days after full LP stripping. Microgels did not induce any immune response from the host. Methods were established using atomic force microscope to measure the elastic properties of the VFLP across different length scales to potentially use in the evaluation of the functionality of the tissue engineered LP constructs. The measured elasticity of rat VF tissue was two orders of magnitude greater than that of human VF tissue. The elastic modulus increased during the remodeling phase after full LP stripping in rat model. The elastic properties of the VF collagen fibrils, the main constituent of VF scar tissue, were measured to be approximately 1 MPa, three orders of magnitude greater than bulk elastic properties of VF tissue. / Les troubles de la voix impliquent souvent des blessures physiques et elles ont de graves conséquences émotionnelles, fonctionnelles et économiques. Le présent projet de recherche contribue à l'élaboration d'un biomatériau injectable pour une utilisation potentielle dans le traitement des cicatrices des cordes vocales (VF) lamina propria (LP). Un système de nouvel hydrogel biomimétique, basé sur l'acide hyaluronique (HA) et de la gélatine (Ge), avec une organisation structurelle hiérarchique a été conçu, caractérisé et évalué in vitro et in vivo. Cet hydrogel hiérarchique composite a été constitué de Ge-HA hybride microgels, fabriqué par mini-émulsion de polymérisation de l'eau-dans-l'huile, et intégré dans un réseau secondaire HA.Des expériences ont été réalisées pour étudier l'adéquation du réseau hiérarchique pour l'ingénierie tissulaire VFLP. La microscopie électronique à balayage a confirmé la topographie sphérique des microgels. La microscopie confocale à balayage des microgels, avec fluorescence tachées des molécules de gélatine, a indiqué que les molécules de gélatine distribuaient uniformément à l'intérieur et sur les microgels HA-Ge. Le module de Young de HA-Ge microgels a été mesurée 22 ± 2,5 kPa en utilisant des tests d'indentation. L'ensemble de module d'élasticité en cisaillement a été mesuré 75 ± 15 Pa à la fréquence de 1 Hz. Les propriétés viscoélastiques du biomatériau étaient dans la fourchette basse des propriétés viscoélastiques de VFLP humaine. La constatation d'études in vitro, en utilisant des cellules de fibroblastes humains VF, a confirmé que les composites d'hydrogels bénéficient de la mobilité élevée des cellules dans le réseau externe et de l'adhésion contrôlée des cellules par les microgels denses localisés. Les tests de cytotoxicité a vérifié la viabilité de microgels pour un support substrat cellulaire. Les particules avec un diamètre submicrométrique étaient plus efficaces que les grands microgels en terme de l'adhérence cellulaire et la propagation. La réticulation des particules sur le réseau externe a amélioré de manière significative la fonctionnalité des particules en milieu substrat cellulaire. Le matériau a démontré de la promesse pour le génie tissulaire de VFLP et peut être également utilisé pour d'autres tissus mous. Le matériau composite injectable a été injecté dans les cordes vocales des rats cinq jours après le décapage complet de LP. Microgels n'a pas induit de réponse immunitaire de l'hôte.Des méthodes ont été établies à l'aide de microscope à force atomique pour mesurer les propriétés élastiques de la VFLP à travers différentes échelles de longueur pour éventuellement utiliser dans l'évaluation de la fonctionnalité de l'ingénierie tissulaire de LP construits. L'élasticité mesurée du VF de tissu de rat est de deux ordres de grandeur supérieure à celle du VF de tissu humain. Le module d'élasticité a augmenté pendant la phase de remodelage après le décapage complet de LP dans le modèle de rat. Les propriétés élastiques des fibrilles de collagène VF, le principal constituant du tissu cicatriciel du VF, ont été mesurées à environ 1 MPa, trois ordres de grandeur plus grand que les propriétés élastiques en vrac des tissus VF.

This thesis deals with the dynamic modeling and control of a cable-actuated system consisting of a payload attached to several actuated cables. The objective of this thesis is to design a stabilizing controller that positions the payload and suppresses the cables vibrations. The dynamics of the system is modeled using the lumped-mass method. First, PID and LQG control algorithms are used to design a controller. Later, motivated by the robust nature of the passivity-based control, its application to cable-actuated systems is investigated. Cable-actuated systems are usually non-square with non-collocated actuators and sensors, which generally limits the use of passivity-based control. In order to overcome these limitations, first a dynamic embedding is considered where an observer is used to construct a new output that realizes a passive input-output map. Next, an alternative input-output map is considered where the output is a scaled version of the true payload velocity and the input is a modified winch torque. / Cette thèse présente une étude de la modélisation dynamique et commande d'un système actionné par câbles, celui-ci composé d'un effecteur attaché à une série de câbles actionnés. L'objectif de cette thèse est de développer un contrôleur qui positionne l'effecteur et diminue les vibrations des câbles. La dynamique du système est modélisée en utilisant la méthode de masses localisées. D'abord, deux algorithmes de commande, PID et LQG sont utilisés pour développer la command. Puis, nous étudions l'application de la commande passive sur le système actionné pas câbles. Les systèmes actionnés par câbles sont généralement non carré avec des actionneurs et des senseurs non colocalisés, ce qui limite généralement l'utilisation de la commande passive. Pour trouver une solution pour ces contraintes, premièrement, nous considérons une intégration dynamique, où un observateur est utilisé pour construire une nouvelle sortie qui donne un système passif. Deuxièmement, nous considérons une entrée-sortie alternative, où la sortie est une version réduit de la vitesse réelle de l'effectuer et l'entrée est une modification du couple de treuil.

The growing stringency of community noise regulations for commercial turbo-fan engines requires the development of effective jet noise suppression configurations. The lobed mixer has been previously found to be an effective noise reduction device for medium or low bypass engines typical of regional jet aircraft applications. The large number of geometrical design parameters for lobed mixers precludes trial and error experimental studies. In this study, a robust computational tool was used to investigate the effects of lobe number, penetration depth and scalloping depth on the sound radiated from a lobed mixer. The near field sound and flow were simulated using a flow solver based on the Lattice Boltzmann Method (LBM). The far-field radiated sound was predicted using the Ffwocs William-Hawkings (FWH) surface integral method. The Reynolds number based on jet diameter was 1.36×10^6 and the peak Mach number reached 0.5. The low-Mach setting was to abide by the constraints of the 19-stage LBM algorithm used in this study, with operating conditions selected to best approach the operating conditions of actual engines. The effects of an outer mean flow to simulate forward flight were not included. Two groups of one quarter scale mixers were selected for investigation. Flow results and statistics were obtained. Plume survey data was obtained across transverse cross-sections of the jet at different downstream locations. Far-field overall sound pressure level (OASPL) and sound pressure level (SPL) directivity results were obtained. All lobed mixers configurations were found to be quieter than the baseline confluent mixer. The results showed that a greater lobe number and a greater penetration depth leads to lower low-to-mid frequency noise, and relatively higher sound pressure levels at high frequency at locations far downstream. Lobed mixers were found to decrease the sound pressure level at mid frequencies, and to significantly decrease noise emissions at low frequencies. The introduction of scalloping did not provide the same low-frequency noise reduction advantage as unscalloped mixers, but yielded noise reduction benefits at low frequencies compared to the baseline case. Deep scalloping tended to trade off low-frequency noise suppression for a noise decrease at high frequencies. The SPL directivity indicated the angle of maximum emissions changed with scalloping depth. The results were found to be in qualitative agreement with published experimental data. / Les récentes mesures prises afin de règlementer le bruit provenant des turboréacteurs à double flux nécessitent le développement de nouvelles configurations de tuyères pour réduire le bruit de ces moteurs. Il a déjà été démontré que les mélangeurs lobés peuvent aider à réduire les émissions sonores. La construction des mélangeurs à lobes comprend un grand nombre de paramètres géométriques, ce qui rend difficiles les approches d'optimisation expérimentales pour trouver la configuration idéale. Dans la présente étude, un logiciel a été utilisé pour analyser l'effet du nombre de lobes sur les niveaux de bruit. Les effets de la largeur et profondeur des lobes, et la profondeur des festons furent aussi étudiés. L'écoulement et le bruit à proximité du jet ont été simulés en utilisant un logiciel basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau (MBR). Le bruit en champ lointain a été prédit en utilisant la méthode analogique de Ffwocs-Williams et Hawkings. Le nombre de Reynolds, basé sur le diamètre du jet, était de 1.36x10^6, et le nombre de Mach maximum était 0.5. Le nombre de Mach est limité en raison de restrictions inhérentes au schéma de calcul MBR utilisé. Les paramètres de l'écoulement ont été choisis pour approcher les conditions de vol de vrais moteurs. Les effets d'un écoulement extérieur pour simuler le mouvement de l'avion ne furent pas pris en considération. Deux groupes de mélangeurs à l'échelle d'un quart ont été sélectionnés pour cette étude. Les résultats et statistiques de l'écoulement instantané et moyenné ont été obtenus. Les données du panache ont été obtenues sur des coupes transversales à plusieurs positions en aval du jet. Les niveaux de pression acoustiques pondérés et la directivité du bruit ont été obtenus. Tous les résultats indiquent que les mélangeurs à lobes étudiés sont plus silencieux que le mélangeur confluent standard, tel qu'attendu. Les résultats suggèrent qu'un plus grand nombre de lobes et une profondeur de pénétration plus prononcée sont préférables vis à vis les fréquences moyennes et basses, au prix d'émissions accrues en aval pour les fréquences élevées. Les mélangeurs à lobes semblent produire moins de bruit aux fréquences moyennes, mais la réduction est plus prononcée pour le bruit à basse fréquence. Les mélangeurs avec festons n'ont pas réduit le bruit à basse fréquence autant que les mélangeurs sans festons. Ceci semble indiquer que les festons à haute-profondeur sont préférables aux fréquences élevées et non aux basses fréquences. La directivité du bruit suggère un décalage de crête associé à la variation de la profondeur des festons. Les résultats obtenus sont en bon accord qualitatif avec les données expérimentales publiées dans la littérature.

The main goal of this work is to propose, implement, test, and refine numerical methodologies for computer simulations of two-fluid flows. These methodologies fall into the category of volume tracking methods, with piecewise-linear interface calculation (PLIC). The scope of this work is limited to the laminar, incompressible flow of immiscible, non-reacting Newtonian fluids, without phase change, in planar two-dimensional geometries. / The following new or enhanced procedures are proposed: a parallelogram scheme for multidimensional advection of the volume fraction field, that rigorously conserves mass; a circle fit technique for the orientation of the interface segments and the calculation of curvature; a novel contact angle treatment; and a staggered formulation for volumetric body forces that can accurately balance pressure forces in the vicinity of the interface. In addition, surface-tension-derived and hydrostatic-derived pressure corrections are introduced as a novel means of calculating accurate pressure forces in cells that contain the interface, thereby virtually eliminating parasitic currents, or the non-physical flows that afflict many available volume tracking methods. / A total of six test problems are presented. The first three test problems do not involve surface tension, and are used to demonstrate the ability of the proposed method to accurately simulate two-fluid flows with complex interface deformations. These test problems involve pure advection flows, a collapsing water column, and a Richtmyer-Meshkov instability. The last three test cases are employed to check the effectiveness of the surface tension modelling. Simulations of a static drop indicate that the proposed curvature calculation procedure is of reasonable, but not very high, accuracy, and it is quite successful at maintaining a smooth, high fidelity interface. Next, it is shown that the proposed method can accurately simulate an oscillating bubble. In the final test case, the formation of a meniscus between two parallel plates is simulated. The equilibrium meniscus shape is in good agreement with the analytic meniscus solution. Overall, the proposed method is shown to be capable of accurate and stable simulations of the two-fluid flows considered in this work.