Carbon nanotubes (CNT) have experienced growing popularity in the past two decades. The field of advanced composite materials has developed quite an interest in using them for high performance applications, such as into thermoplastic fibres. However, a review of the literature showed that there was a lack of understanding between the rheological behavior of CNT-filled polymer and the processability of such materials through melt spinning. In this work, a methodology to incorporate carbon nanotubes (CNT) into thermoplastic fibres and to relate mechanical properties, fibre quality and viscosity was developed. Multi-walled nanotubes (MWNT) were combined into a polyamide 12 (PA12) matrix through melt compounding and twin-screw extrusion. Pellets containing 0 wt%, 0.5 wt%, 1.0 wt%, 2.0 wt%, 5.0 wt% and 10.0 wt% MWNT were produced. Their rheological behaviour was investigated and spinnability and processability criteria were developed based on the loss factor and the relative viscosity. They both predicted that masterbatches containing more than 2.0 wt% CNT would be unsuitable for the production of high quality MWNT/PA12 fibres. The pellets were subsequently melt spun with a capillary rheometer at winding speeds of 41 m/min and 152 m/min. The tensile properties of as-spun filaments were measured with a micro-tensile testing machine. The results showed that the maximum Young's modulus was reached between 0 wt% and 1.0 wt% CNT, exhibiting an increase of 17%. Morphological observations revealed that there was a link between the decrease of elastic modulus and loss of surface quality for filaments containing more than 1.0 wt% MWNT. To further improve the fibres' mechanical properties, post-drawing parameters were systematically investigated: temperature, drawing speed and elongation. The best improvements in terms of elastic modulus and tensile stress were measured for the following post-drawing conditions: 140C and 500% elongation, regardless of drawing speed. The elastic modulus (E) and tensile stress values of MWNT/PA12 fibres were improved by at least 300% after post-drawing. Compared to pure PA12 fibres post-drawn under the same conditions, E increased by up to 45% and the tensile stress by up to 62%, for fibres containing 5.0 wt% MWNT. It was confirmed through electron microscopy and X-ray diffraction that these enhancements were caused by uniform nanotube dispersion, the improvement of surface quality and the alignment of the polymer chains along the fibre axis, controlled by the post-drawing temperature and elongation. Control of the mechanical properties with the post-drawing parameters shows that this method gives the opportunity to tailor CNT-fibres to meet specific demands. / Les nanotubes de carbone (CNT) ont connu une vague de popularité depuis les 20 dernières années. L'industrie des matériaux composites a développé un intérêt marqué pour leur utilisation dans des applications haute performance, telles que les fibres thermoplastiques. Par contre, une revue de la litérature a démontré qu'il y avait un manque d'information concernant le lien entre le comportement rhéologique des CNT-polymères et la facilité de fabrication par filage à l'état fondu. Dans ce travail, une méthodologie détaillée pour incorporer des nanotubes de carbone (CNT) dans des fibres thermoplastiques et relier leurs propriétiés mécaniques à leur qualité de surface et leur viscosité a été développée. Des nanotubes à multiples parois (MWNT) ont été incorporés dans une matrice de polyamide 12 (PA12) par extrusion bi-vis. Des granules contenant 0%, 0.5%, 1.0%, 2.0%, 5.0% et 10.0% de CNT par masse ont été formulées. Leur comportement rhéologique a été investigué des critères de prodédé par filage ont été développés, basés sur la viscosité relative et le facteur de perte. Ils ont tout deux prédit que des formulations contenant plus de 2.0% de CNT par masse seraient inadéquates pour la production de fibres MWNT/PA12 de qualité. Les granules ont été par la suite filées par fusion avec un rhéomètre capillaire à des vitesse de filage de 41 m/min et 152 m/min. Les propriétés en tension des filaments ont été mesurées avec une machine de test micro-tension. Les résultats ont démontrés que le module d'Young a augmenté d'une valeur maximale de 17% entre 0 et 1.0% de CNT. Des observations morphologiques ont révélées qu'il y avait un lien entre la diminution du module d'élasticité et le fini de surface de filaments contenant plus de 1.0% MWNT. Pour davantage augmenter les propriétés mécaniques, des paramètres de post-étirement ont été investigués systématiquement: température, vitesse d'étirement et elongation. Les meilleures améliorations en terme de module d'élasticité et de contrainte en tension ont été mesurées pour les paramètres suivants: 140C et 500% d'élongation, peu importe la vitesse d'étirement. Le module d'élasticité et la contrainte en tension ont augmenté d'au moins 300% après le post-traitement. Ces propriétés ont augmenté de 45% et 62%, respectivement, pour les fibres contenant 5.0% MWNT, comparées aux fibres pures de PA12 étirées selon les mêmes conditions. Il a été confirmé par microscopie électronique et diffraction aux rayons X que ces gains ont été causés par la distribution plus uniforme des nanotubes, l'amélioration du fini de surface et l'alignement des chaînes de polymère le long des fibres, contrôlés par la temperature et l'élongation. Le contrôle des propriétés mécaniques avec les paramètres de post-étirement démontre que cette méthode s'avère fort prometteuse pour confectionner des fibres selon des applications spécifiques.

Flames in heated tubular channels, with radii on the order of the flame thickness, are investigated experimentally and numerically to understand the various effects of flame / wall interfacial heat transfer. First, combustion is studied in a burner-stabilized configuration, with an imposed temperature profile along the tube wall, to isolate and understand the role of flame / wall heat loss, without heat recirculation. The flames are found to be influenced by competition between energy required to preheat the reactants, heat released by combustion, and heat lost to the wall. To model such flames, an extension to the standard 1--D, volumetric formulation is proposed which uses detailed chemistry, mixture-averaged transport, and an interfacial heat transfer sub-model. The interfacial heat transfer sub-model uses a non-linear, radially-varying heat source to account for combustion and captures enhanced interfacial heat transfer inside the reaction zone. The degree of heat loss in the reaction zone is found to be sensitive to non-linear heat release. Heat release, from chemical reactions, acts as a local thermal discontinuity resulting in steep temperature gradients and high heat loss. This is absent in present volumetric formulations and in standard interfacial heat transfer correlations; which do not account for chemical reactions and treat the flow as thermally fully-developed. The model is, then, validated with experiments. In the experiments, strongly burning, axisymmetric methane / air flames, stabilized inside the wall temperature profile, are found to be "flat" for sufficiently small tube dimensions. The extended model is also found to be in agreement with experimental results and gives improved quantitative predictions for flame stabilization position, compared to the standard volumetric approach. Temperature and species profiles are also compared to those obtained from a detailed multi-dimensional formulation; which is assumed to predict the actual structure of the flame. Again, the extended volumetric model shows significant improvement compared to the standard formulation. Deviations between the extended model and the detailed model are also investigated to determine the nature of the unconsidered multi-dimensional effects. Finally, propagation and extinction in a participating channel is modeled to understand the combined effects of flame / wall heat transfer and heat recirculation on burning rate. These phenomena are deemed to be the leading-order effects for this case. The interfacial heat transfer sub-model is reformulated to use a non-linear heat source, for combustion, and radial convection, for flow redirection. The model is evaluated for stoichiometric flames over a range of channel inlet flow velocities and confirms the existence of regimes for fast and slow flame propagation, which have non-monotonic variation for burning rate. Peak heat loss is also found to coincide with peak heat release, rather than the maximum temperature location. The numerical model is, once again, found to give improved quantitative predictions over other approaches which neglect the effects of heat release, without the additional computational cost of multi-dimensional, detailed simulations. / Les flammes réalisées à l'intérieur de canaux tubulaires chauffés sont étudiées expérimentalement et numériquement pour comprendre les effets du transfert de chaleur entre la flamme et la paroi. Tout d'abord, le processus de combustion est étudié dans une configuration de brûleur à flamme stabilisée, avec un profil de température imposé le long du tube. Ceci permet d'isoler et de comprendre le rôle de la perte de chaleur de la flamme vers la paroi, sans recirculation de la chaleur. Il est alors observé que les flammes sont influencées parla compétition existant entre l'énergie requise pour le préchauffage des réactifs, la chaleur dégagée par la combustion, et la perte de chaleur. Pour modéliser ces flammes, une extension à la formulation volumétrique et unidimensionnelle, typiquement utilisée, est proposée. Cette nouvelle formulation inclue la chimie détaillée, le transport moyenné du mélange, et un sous-modèle de transfert de chaleur interfaciale. Le sous-modèle de transfert de chaleur interfaciale utilise une source de chaleur non-linéaire pour tenir compte de la combustion, et saisit l'effet de transfert de chaleur interfaciale à l'intérieur de la zone de réaction. La quantité de perte de chaleur dans la zone de réaction se trouve à être sensible au dégagement de chaleur non-linéaire. Le dégagement de chaleur lié aux réactions chimiques agit comme une discontinuité thermique locale, entraînant des gradients de température importants et une perte de chaleur. Ceci est absent des formulations volumétriques typiques et des corrélations de transfert de chaleur standard, qui ne tiennent pas compte des réactions chimiques, et traitent l'écoulement comme thermiquement établi. Le modèle est ensuite comparé à des expériences. Dans les expériences, des flammes axisymétriques à brûlage fort, de méthane et d'air, sont stabilisées le long du profil de température de la paroi. Les flammes sont plates pour les tubes de petites dimensions. Le modèle nouveau est en accord avec les résultats expérimentaux et donne des prédictions améliorées pour la position de la flamme, par rapport à l'approche volumétrique standard. Les profils de température et d'espèces chimiques sont également comparés à ceux obtenus à partir d'une formulation détaillée multidimensionnelle, qui hypothétiquement prédit la structure réelle de la flamme. Encore une fois, le nouveau modèle volumétrique montre une amélioration significative par rapport à la formulation standard. Les écarts entre le nouveau modèle et le modèle détaillé sont également étudiés afin de déterminer la nature des effets multidimensionnels non-considéré.

The leading-edge vortical flow structure over a 65ᵒ slender (DW65) and a 50ᵒ non-slender (DW50) delta wing was investigated at Reynolds number of order 105. Particular emphasis was placed in the variation of vortex flow quantities and critical flow parameters with change in angle of attack and chordwise distance. In addition, the progression of vortex breakdown with angle of attack was documented based on pressure and three-dimensional velocity information. A glimpse of wake-vortex evolution was also discussed. Moreover, aerodynamic lift and drag forces were evaluated based on wake survey analyses and compared with direct force balance measurements. Special attention was focused on drag characterization based on lift dependency where Maskell formulation was adopted for the estimation of induced drag. The results showed that the flow over DW65 and DW50 has some qualitative resemblances but quantitatively they are two contrasting flows. Prior to the breakdown, in the case of DW65, the vortical flow is near-axisymmetric but in the case of DW50, the vortex and axial core never matches and even the definition of distinctive vortex center is often ambiguous except at higher angles of attack, moreover the axial core was always accompanied by large momentum deficit. The variation of vortex flow quantities in streamwise direction showed self-similar behavior when plotted against radial distance scaled by local semi-span while interestingly for DW50 self-similar behavior was showed only by the variation of total pressure loss about the pressure core. It was established that the flow over DW50 was marred by an active interaction of vortical and boundary layer flow due to the close proximity of vortex to the wing surface. For the first time the progression of vortex breakdown over the wing surface was reported on the basis of three-dimensional flow information which elucidated the respective indicators of breakdown for slender and non-slender delta wings. Lastly, wake survey analyses were carried and comparison of different lift computational models and direct measurement were presented. Moreover, the estimation of profile drag is sensitive to the definition of wake region whereas vortex breakdown upstream of trailing-edge resulted in underestimation and overestimation of induced drag and CL, respectively. For all the cases of slender wing and high angle of attack cases of non-slender delta wing showed that the induced drag always constituted more than 50% of the total drag. The results provided here provided a deepened and extended insight on vortical and aerodynamics characteristics of slender and non-slender delta wing. / La structure de pointe d'écoulement tourbillonnaire d'une aile delta élancée à 65 ° (DW65) et non élancée à 50 ° (DW50) a été étudiée au nombre de Reynolds de l'ordre 105. Un accent particulier a été mis dans la variation des quantités d'écoulement tourbillonnaire et les paramètres d'écoulement critique avec un changement de l'angle d'attaque et de la distance en corde. En outre, la progression de l'éclatement du tourbillon avec l'angle d'attaque a été documentée sur la base de la pression et de l'information sur la vitesse tridimensionnelle. On a également discuté d'un aperçu de l'évolution de la turbulence de sillage. De plus, les forces aérodynamiques de portance et de traînée ont été évaluées sur la base des analyses de l'enquête sur le sillage et comparées avec des mesures directes de l'équilibre des forces. Une attention particulière a été portée sur la caractérisation de la traînée fondée sur la dépendance de la portance où la formulation de Maskell a été adoptée pour l'estimation de la traînée induite. Les résultats ont montré que l'écoulement sur DW65 et DW50 ont quelques ressemblances qualitatives, mais elles sont quantitativement deux écoulements contrastés. Avant l'éclatement, dans le cas de DW65, l'écoulement tourbillonnaire est quasi axisymétrique, mais dans le cas de DW50, le tourbillon et le noyau axial ne correspondent jamais et même la définition de centre du tourbillon distinctif est souvent ambiguë, sauf à des angles d'attaque plus élevés. D'ailleurs, le noyau axial était toujours accompagné par un déficit dynamique important. La variation de la quantité d'écoulement tourbillonnaire dans la direction de l'écoulement a montré un comportement auto similaire lorsqu'elle est portée contre la distance radiale réduite par semi-envergure locale. Pendant que, fait intéressant, pour la DW50, un comportement auto similaire a été montré seulement par la variation de la perte de pression totale aux environs du cœur de la pression. Il a été établi que l'écoulement sur DW50 a été marqué par une interaction active de l'écoulement tourbillonnaire et de la couche limite en raison de la proximité du tourbillon de la surface de l'aile. Pour la première fois, la progression de l'éclatement du tourbillon sur la surface de l'aile a été signalée sur la base de l'information du système d'écoulement tridimensionnel qui a élucidé les indicateurs respectifs d'éclatement pour les ailes delta élancées et non élancées. Enfin, les analyses des enquêtes ont été menées et des comparaisons de différents modèles informatiques de portage et de mesure directe ont été présentées. En outre, l'estimation de la traînée de profil est sensible à la définition de la région de sillage tandis que l'éclatement tourbillonnaire en amont du bord de fuite a entraîné une sous-estimation et une surestimation de la traînée induite et du CL, respectivement. Pour tous les cas de l'aile élancée et les cas de l'angle d'attaque de l'aile delta non élancée ont montré que la traînée induite a toujours constitué plus de 50% de la traînée totale. Les résultats fournis ici ont fourni un aperçu approfondi et étendu sur les caractéristiques tourbillonnaires et aérodynamiques de l'aile delta élancée et non élancée

A premixed methane–air bunsen-type flame is seeded with micron-sized (d32 = 5.6 μm) atomized aluminum powder over a wide range of solid fuel concentrations. It is found that an increase in aluminum dust concentration changes the aluminum combustion regime from slow, low-temperature oxidation to full-fledged aluminum flame front propagation. The critical concentration for this transition occurs in a range of 100–180 g/m3. The transition is manifested by a sharp increase in temperature up to 2600 K, following closely with thermodynamic predictions at these higher concentrations, and the appearance of AlO sub-oxide bands. In concentrations that precede the formation of the aluminum flame front, the burning velocity decreases linearly, similar to inert SiC loadings. After aluminum flame front formation, the flame speed in aluminum-methane mixtures remains constant even after increasing concentrations in contrast to the rapid decrease in flame speed, followed by quenching that is observed in flames seeded with inert SiC particles. It is likely that thermal coupling is required between the aluminum and methane flame fronts for stabilized flame propagation and, moreover, given the effect of concentration on the front formation and temperatures in the flame, there is evidence of aluminum combustion in the kinetically-limited regime. / Une flamme du type de bec de Bunsen, composée de méthane et d'air pré-mélangés, est ensemencée en particules d'aluminium pulvérisé de l'ordre du micromètre (d32 = 5.6 μm) pour une large gamme de concentrations. Il a été constaté que l'augmentation de la concentration en aluminium modifie le régime de combustion qui passe d'une oxydation lente et à basse température à une propagation à part entière de la flamme frontale. La concentration critique pour cette transition se produit dans un éventail de 100–180 g/m3. La transition se manifeste par une forte hausse de température jusqu'à environ 2600 K, suivant étroitement les prédictions thermodynamiques pour ces hautes concentrations et l'apparition de bandes sous-oxydes de AlO. Pour les concentrations qui précèdent la formation du front de la flamme d'aluminium, la vitesse de la flamme décroît de façon linéaire - un comportement similaire aux tests avec une charge de SiC. Suite à la formation du front de la flamme, la vitesse de la flamme des mélanges d'aluminium et de méthane demeure constante pour des concentrations croissantes, contrairement à la diminution rapide de la vitesse de flamme, suivie d'extinction, observée pour les flammes à particules de SiC. Il est probable que le couplage thermique entre les front d'aluminium et de méthane est indispensable pour la stabilisation du système de propagation de la flamme. De plus, compte tenu de l'effet de la concentration sur la formation du front et de la température des flammes, il est probable que l'aluminium brûle dans un régime cinétiquement limité. Ceci contraste avec l'hypothèse du régime limité par diffusion, présumé par les études de systèmes à particule unique.

Using a fracture mechanics framework, we present a finite element method to simulate the break-up of 2D ice accreted on the wings of aircraft and the shedding of 3D ice accreted on blades of helicopter. The fully automated ice break-up module is integrated in FENSAP-ICE [1-2], which is an in-flight ice accretion simulation code that solves flow, droplet impingement and ice accretion, in sequence. The 2D and 3D crack propagation packages are developed and validated by comparing with published results for a single edge cracked plate test case and a single edge-notched specimen with three points bending load, respectively. Numerous complicated ice-shapes are analyzed and comparisons are performed with a contemporary fracture mechanics code. Under typical icing and flow conditions, linear elasticity is found to be adequate for ice break-up analysis. For ice accreted on wings, an important finding of this study is that the breaking of ice has a strong dependence on its shape, i.e. under similar aerodynamic loading, some ice shapes fail while others do not. For ice accreted on helicopters, the finding is that the rotational speed of the blade and interface strength between ice and blade material are the major factors governing the ice break-up. The main objective of this work is to analyze complex multi-physics phenomenon and provide a simplified ice break-up model for the industrial users and aerodynamic designers. The potential use of this tool, however, is not limited to aerodynamics; it can be applied in areas of environmental science, material science, glaciology, earthquake and rupture analysis. / Dans le cadre de la mécanique des fractures, nous présentons une méthode d'éléments finis qui simule le bris de la glace accumulée sur les ailes d'avions, en deux dimensions, ainsi que le délestage du givre accumulé sur les pales de l'hélicoptère, en trois dimensions. Le module de bris de glace, entièrement automatisé, est intégré en FENSAP-ICE [1-2], un logiciel de simulation qui résout séquenciellement le flux, l'impact des gouttelettes et le cumul de glace. Les modules bidimensionnels et tridimensionnels de propagation de fissures sont développés et validés par comparaison avec des résultats expérimentaux sur une plaque fissurée d'un seul côté, ainsi que pour un spécimen entaillé d'un seul côté avec une charge de flexion en trois points. Plusieurs formes de glace sont analysées et des comparaisons faites avec un autre code traitant la mécanique des fractures. Dans des conditions typiques de givrage et d'écoulement, l'élasticité linéaire s'est avérée adéquate pour une analyse du bris de glace. Pour la glace accumulée sur les ailes, une conclusion importante de cette étude est que le bris de glace dépend fortement de sa forme, c'est-à-dire que pour des charges aérodynamiques similaires, certaines formes de glace briseront, tandis que d'autres ne le feront pas. En ce qui concerne la glace accumulée sur les hélicoptères, il a été conclu que les facteurs les plus importants pour le bris de glace sont la vitesse rotationnelle de la pale et la force d'adhésion entre la glace et la pale. L'objectif principal de cet ouvrage est d'analyser des phénomènes multi-physiques complexes et de fournir un modèle simplifié du bris de la glace pour les utilisateurs industriels et les concepteurs en aéronautique. L'utilisation de cet outil n'est toutefois pas limitée à l'aérodynamique, puisqu'il peut être employé dans des domaines tels que les sciences environnementales, les sciences des matériaux, la glaciologie et l'analyse des tremblements de terre et de rupture.

Hyper-redundant mechanisms (HRMs), also known as snake-like robots, have been the target of a small but focused research push over the past four decades. Consisting of a simple kinematic chain with a large number of redundant degrees of freedom (DoF), they can act manipulators approximating the form and function of an elephant's trunk, or undulatory locomotors mimicking the motions of snakes, worms, and other creatures. Although past research on locomotion has largely restricted itself to land-based studies, hyper-redundant mechanisms are inherently well suited to aquatic propulsion. Their structural form allows them to directly mimic the swimming motions of anguilliform fish. Biological anguilliform swimmers are both maneuverable and extremely efficient, however, these properties hinge upon finely tuned body deformations. The current understanding of undulatory swimming does not provide a clear method to optimally define these deformations for a highly articulated system. The present study solves this issue by developing a scheme capable of producing optimal gaits for a hyper-redundant swimmer. The optimization process consists ofa self-propelled swimming model and a custom particle swarm algorithm. The proposed scheme is used to produce optimal gaits for efficient swimming over a range of different velocities and for high acceleration. Although the development of the gait generation process is an end in itself, the properties of the optimal swimming kinematics also provide insight on HRMs and undulatory swimming in a more general sense. Simple control strategies, key issues for design, and potential topics for future work are extracted from the results. / Les recherches précédentes on montrés que des mécanismes hyper-redondants (MHR)sont fortement adaptables en bougeant sur la terre. Cependant, leurs capacités pourraient aussi être étendues aux environnements aquatiques par la propulsion semblable à celle de l'anguille. Les nageurs anguilliforme naturels sont autant manuvrables qu'extrêmement efficaces. Cependant, ces propriétés dépendent de déformations très spécifiques du corps. La compréhension actuelle de la nage ondulatoire ne fournit pas de méthode claire ou de façon optimale afin de définir ces déformations pour un système fortement articulé. L'étude présentée ici résout cette question en développant un processus informatique capable de produire des démarches optimales pour un robot hyper-redondant nageant. Le processus est composé d'un modèle nageant et d'un algorithme d'essaim de particules faits sur mesure. Cette solution d'optimisation est utilisée pour produire des démarches efficaces pour la natation sur une gamme de vitesses différentes et pour la haute accélération. Bien que le développement du processus d'optimisation soit une fin en soi, les propriétés de la cinématique de la nage optimale fournis aussi un aperu sur les MHRs et sur la natation ondulatoire dans un sens plus général. Des stratégies de contrôle simples, des problèmes-clés pour le design, et des sujets potentiels pour le travail à venir sont extraits des résultats.

Ice construction has been used for practical and artistic purposes for thousands of years. In the past few decades, computer numerical control (CNC) ice sculpting has become a well-established industry, with many companies producing ice sculptures for corporate events. This thesis presents a novel form of ice construction, namely, 3D ice printing, also known as rapid freeze prototyping. Rapid prototyping is an interesting alternative technique for ice construction, since it can be used to produce many objects that would be difficult or impossible to build with manual or CNC techniques. A robot-assisted rapid prototyping system has been produced by retrofitting an Adept Cobra 600 robot. This thesis first provides an overview of the system; then, several of the innovative control algorithms that have been implemented are reported. The Cobra 600 system is capable of constructing any 3D model, up to a size of approximately 300 × 300 × 200 mm; the system accuracy is approximately 0.5 mm, with the rate of construction about one litre per day. Most of the retrofitting work has been on the software side; several innovative algorithms have been produced, which represent the main contributions to knowledge of this thesis. A part-slicing algorithm produces deposition paths from CAD parts; compared to the established algorithms on which it is based, computational efficiency has been greatly improved. A trajectory control algorithm produces data for controlling the Cobra 600 system during part construction. This algorithm is unique because of its simple, robust approach to the time-optimal trajectory planning problem, and its independence of a dynamic model of the robotic system. A geometric feedback system has been developed that detects and corrects geometry errors during part construction. An integral component of this system is a three-dimensional spatial PID controller, produced by transforming the traditional PID controller, which is one-dimensional in time. Time-varying flow control has also been developed and implemented, as both a necessary feature to complement variable-speed deposition paths and a means to correct part errors detected with the geometric feedback algorithm. All of the algorithms described above have been integrated to produce the Cobra 600 software implementation. Many of the innovative techniques developed are applicable to other rapid prototyping systems; additionally, some are applicable to other fields of research, including mapping, manufacturing, and signal processing. / La construction en glace est utilisée à des fins pratiques et artistiques depuis des milliers d'années. Au cours des dernières décennies, l'usinage de glace par CNO (commande numérique par ordinateur) est devenu un secteur bien établi, où également diverses sociétés produisent des sculptures pour des événements corporatifs. Cette thèse porte sur une nouvelle technique de construction en glace par impression 3 D. Cette technique, aussi appelée le prototypage rapide, peut être utilisé pour produire des objets qu'il serait difficile ou même impossible de produire avec les techniques traditionnelles d'enlèvement de matière. Un système de prototypage rapide en glace a été conçu et mis au point au moyen d'un robot Cobra 600 d'Adept Technology. Cette thèse donne un aperçu du système d'impression 3 D et des divers algorithmes novateurs mis au point. Le système Cobra 600 est capable de construire n'importe quel objet, de dimensions maximales de 300 × 300 × 200 mm, avec une précision d'environ 0,5 mm, et une cadence de construction d'environ un litre par jour. La plupart des contributions à l'avancement des connaissances porte sur les logiciels. Un algorithme de tranchage de l'objet produit les trajectoires de déposition ; comparé aux algorithmes bien établis, sur lesquels il est basé, l'efficacité de calcul est nettement meilleur. Un deuxième algorithme génère l'information de commande nécessaire pour construire un objet avec le système Cobra 600. Son approche simple et robuste minimise le temps requis pour suivre une trajectoire, et le rend indépendant du modèle dynamique du robot. Un système d'asservissement géométrique détecte et corrige les erreurs géométriques durant la construction de l'objet. Un régulateur OIT (odométrique, intégral, tachymétrique) spatiale 3 D remplace le régulateur OIT traditionel, unidimensionnel et temporel. La commande variable de l'écoulement du liquide complète les trajectoires de déposition à vitesse variable, et corrige les erreurs détectées au moyen du système d'asservissement géométrique. Tous les algorithmes décrits ci-dessus sont intégrés afin de permettre l'utilisation du logiciel du système Cobra 600. De nombreuses techniques novatrices mises au point dans le cadre de cette recherche sont susceptibles d'application aux autres systèmes de prototypage rapide ; en outre, certaines peuvent être appliquées à d'autres domaines, comme la cartographie, le traitement de signaux, et la fabrication.

In this thesis, we design and test several mixing optimization strategies with the scope of improving current, and designing novel, industrial mixing devices. As a case study, we use numerical simulation to characterize, redesign and optimize a prototypical mixing device, the sine flow, which stirs a mixture on a two-dimensional domain alternating orthogonal, piecewise-steady, nonlinear velocity fields. As a measure of the quality of mixing and as a cost function for the optimization strategies, we use the mix-norm, an average multi-scale measure of the scalar variance over different coarse graining of the mixing domain. First, we address the conceptual problem of designing a mixing device able to deliver an optimal and uniform mixing performance for different initial configurations of the mixture. We show that the performance of the sine flow is not optimal nor uniform, but it can be greatly improved by optimizing on-line its stirring protocol. We demonstrate that the simplest form of the protocol optimization is competitively effective with respect to more complex and computationally expensive optimizations. Second, we consider a more challenging problem, the problem of designing an optimal mixer, i.e. a mixing device whose performance is uniform with respect to a large set of initial and operating conditions. We show that the sine flow is far from being an optimal mixer, however, it is possible to obtain an optimal mixer by redesigning the actuating system of the sine flow and coupling the optimization of the stirring protocol with a simple optimization of the stirring velocity fields. Third, we consider the optimization of the profile of the stirring velocity fields. To this end, we introduce the Fourier sine flow, an extension of the sine flow that enables the generation of stirring velocity fields whose profiles are represented by a Fourier sine series. This novel mixing device allows us to optimize the velocity profiles by computing the amplitudes and phase shifts of the Fourier modes so that the synthesized stirring velocity field maximizes the mixing quality by the end of a stirring iteration. We demonstrate that this optimization produces realistic results only if the power input needed to generate the stirring flow is properly constrained. Subsequently, we characterize the cost-efficiency of the velocity profile optimization in terms of the total time, energy and computational cost needed to obtain a desired level of homogenization of the mixture and present some insightful and unexpected results. Our work puts in a realistic perspective the optimization of mixing in laminar regimes, providing guidance for the development and enhancement of industrial mixers. / Le sujet de cette thèse concerne la mise en œuvre d'une analyse numérique visant à optimiser les techniques de mélange utilisées dans les applications industrielles. Dans cette recherche, nous simulons tout d'abord le mélange d'une quantité scalaire à partir d'un modèle classique d'écoulement fluide appelé "sine flow". Ensuite, nous présentons une amélioration de ce modèle et rapportons une analyse très complète de nos résultats. L'écoulement "sine flow" est non-linéaire, bidimensionnel et semi stationnaire car entre chaque intervalle de temps, l'orientation des champs de vitesse subit une rotation de 90 degrés. Nous appelons "protocole de mélange" le nombre et la durée des changements d'orientation des champs de vitesse au cours d'une même simulation. Nous montrons que l'optimisation du mélange des champs scalaires dépend directement du choix du protocole de mélange. Pour quantifier la qualité du mélange du scalaire nous utilisons un paramètre appelé "mix-norm" qui est la variance du scalaire mélangé calculée sur l'ensemble des échelles spatiales des champs scalaires. Dans cette thèse, nous rappelons tout d'abord les difficultés que peut induire la conception d'un mélangeur optimal. Un mélangeur optimal est capable de fournir un mélange homogène indépendamment de la distribution initiale des champs scalaire à mélanger. Nous démontrons que les performances du modèle "sine flow" ne sont ni optimales ni uniformes mais qu'elles peuvent être grandement améliorées en optimisant de façon dynamique le protocole de mélange. Cette optimisation est contrôlée en modulant un paramètre appelé "switching time horizon" qui, lorsque sa valeur est égale à 1 caractérise le plus simple protocole de mélange possible. Nous démontrons que celui-ci est particulièrement efficace en comparaison avec des protocoles plus complexes et plus couteux en termes de ressources informatiques. Dans un second temps, nous montrons que le modèle "sine flow" est très loin de simuler un mélangeur optimal. Toutefois, nous montrons qu'une extension du modèle "sine flow", que nous appelons modèle "Fourier sine flow", ore des possibilités importantes d'optimisation. En effet, ce nouveau modèle "Fourier sine flow" génère un champ de vitesse dont les profils sont représentés par une série de Fourier. Le calcul des amplitudes et des déphasages des modes de Fourier sont des paramètres modulables qui peuvent être utilisés pour maximiser la qualité du mélange. Finalement, nous démontrons que l'utilisation de ce nouveau modèle produit des résultats très réalistes lorsque la puissance énergétique nécessaire a la mise en mouvement de l'écoulement fluide est correctement quantifiée et contrainte lors de la simulation. Ainsi, nous mettons en évidence le rapport coût/efficacité de ce nouveau modèle et de sa capacité à optimiser un mélange en termes de temps total, d'énergie et de ressources informatiques nécessaires. Nous présentons et discutons des résultats les plus pertinents et parfois même inattendus. Ce travail ore une perspective réaliste pour l'optimisation d'un mélangeur utilisant les écoulements laminaires et il apporte une orientation possible au développement de nouveaux mélangeurs ou à l'optimisation des mélangeurs actuellement utilises dans l'industrie.

This research work presents an adjoint approach to optimize the aero-thermalproperties of gas turbine blades. The flow solver is a Reynolds-Averaged Navier-Stokes code applicable to structured grids. The flow governing equations are discretizedusing a second-order finite-volume scheme and for artificial dissipation, theJameson-Schmidt-Turkel (JST) scheme is applied in order to accurately capture theflow discontinuities. The code uses a five-stage modified Runge-Kutta explicit temporaldiscretisation and utilizes the multigrid method, residual smoothing and thelocal time stepping for convergence acceleration.A loosely coupled conjugate heat transfer (CHT) method is applied to considerthe effect of the internal convective cooling and obtain the fluid-solid interface temperatureat the blade surface. A finite-element solver is developed to solve the energyequation in the solid domain and the governing equation is solved by implementingthe weak-Galerkin finite-element discretization scheme where an unstructured lineartriangular mesh is adopted for the solution domain. The temperature at the solid andfluid interface is computed through an iterative exchange of the boundary conditionsacross the interface using the Flux Forward Temperature Back (FFTB) method. Forexternally cooled blades, a source term injection model is implemented to model theeffect of external cooling on the blade surface heat transfer.The optimization procedure is gradient-based and the blade shape optimizationis accomplished through SNOPT, a sequential-quadratic programming package thatis capable of automatically handling the linear and/or non-linear flow and geometric constraints. To efficiently calculate the gradients, a continuous adjoint method isemployed and in order to be consistent with the flow boundary condition, a characteristicbased approach is utilized in developing the adjoint boundary conditions.The flow solver is validated for several benchmark turbomachinery cascades.The optimization procedure is applied to several inviscid and viscous turbine andcompressor blades to enhance the aerodynamic and/or thermal performance. Thedeveloped optimization algorithm is demonstrated to be efficient in terms of computationaltime and accuracy for the optimization of two-dimensional turbomachinerycases where it provides promising results in reducing the desired objective functionswhile respecting the imposed flow and geometric constraints. / Ce travail de recherche présente une approche adjointe capable d'optimiser les propriétés aéro-thermique de cascades de turbine à gaz. Le solveur est un flux de Reynolds-moyenne de Navier-Stokes code applicable aux maillages structurés. Le flux régissant les équations sont discrétisées en utilisant un schéma de second ordre de volumes finis et pour la dissipation artificielle, la méthode Jameson-Schmidt-Turkel (JST) est appliquée afin de saisir le choc avec précision. Le code utilise un schéma modifié Runge-Kutta à 5-étapes pour la discrétisation temporelle et utilise la méthode multigrille, pas de temps explicite, et des pas de temp locale pour accélérer de la convergence. Pour une cascade refroidie extérieurement, un modèle d'injection à terme source est mis en oeuvre pour modéliser l'effet de refroidissement externe sur le transfert de chaleur à la surface de la pale. Le méthode du transfert de chaleur couplé conjugué (CHT) est appliquée pour considérer l'effet du refroidissement par convection interne et d'obtenir la température de l'interface fluide-solide à la surface de la pale. Un solveur d'éléments finis est é développé pour résoudre l'équation de l'énergie dans le domaine solide et l'équation régissant est résolu par l'application du schéma faibles-Galerkin discrétizé d'éléments finies où un maillage linaires triangulaire non-structuré est adopté pour le domaine fluide. La température à l'interface solide-fluide est calculée en utilisant la méthode Flux Devant Température Arrière (FFTB) aux conditions limites à travers l'interface. La procédure d'optimisation est à base de gradients et l'optimisation de la forme de cascade est accompli par SNOPT, un logicielle de programmation quadratique séquentielle qui est capable de traitement automatique d'un écoulement linéaire et/ou non linéaireet des contraintes géométriques. Pour bien calculer les gradients, une méthode adjointecontinue est utilisée, et afin d'être compatible avec la condition limite de flux,une approche basée caractéristique est utilisée pour les conditions limites adjointe.Le solveur d'écoulement est validé pour plusieurs cas standard de turbomachines.La procédure d'optimisation est appliquée à plusieurs cascades de turbomachinesvisqueuses et non visqueuses pour les propriétés aérodynamiques et/ou thermique.L'algorithme d'optimisation développée démontre l'efficacité de l'optimisation des turbomachines en deux dimensions où il fournit des résultats promettant en termes de réduction des fonctions objectives, tout en respectant le flux imposé et des contraintes géométriques.

An implicit adaptive Nonlinear Frequency Domain method (NLFD) has been developed and validated for the Navier-Stokes equations on deformable grids. Although the computational time for periodic flows is reduced by using the NLFD approach in comparison with classical time marching schemes, the adaptive NLFD approach leads to additional reductions in the overall computational effort. A novel adaptation strategy that allows both mode augmentation and reduction enables the adaptive approach to gain a factor of two reduction in memory and computational cost at anequivalent solution accuracy to the non-adaptive approach. In order to further accelerate the convergence, the non-linear LU-SGS technique, which is an implicit time marching approach, is implemented. In the non-linear LU-SGS method, the computational cells are treated locally; hence, its implementation is quite suitable for the adaptive NLFD method, where different cells have dierent number of modes and therefore has to be treated individually. Through an innovative approach, each mode is updated separately within each cell, while the coupling eects of the other modes,which are included in the Fourier expression of the solution are transferred to the right-hand side and are iteratively updated. As a result, the computational efficiency of the implicit solver is not decreased as the number of modes increases. Through the developed implicit solver, more than one order of magnitude speed up is obtainedcompared to the modied ve-stage Runge-Kutta explicit approach. Finally, the concept of dynamic or moving/deformable grid is extended to the present approach for numerical simulation of physical periodic problems, where the flow periodicity is induced from a moving/deforming object. The approach is validated for 2D laminar vortex shedding behind stationary, plunging, and pitching cylinder and airfoil cases. / Cette thèse prèsente la formulation et la validation d'une méthode adaptative, implicite et non-linéaire dans le domaine fréquentiel (NLFD) conçue pour la solution des équations de Navier-Stokes sur maillages déformables. Comparé à un schéma d'intégration temporel classique, cette méthode réduit le temps de calcul d'écoulements périodiques en résolvant les équations dans le domaine des fréquences et en implémentant une stratégie adaptative. Cette stratégie consiste à augmenter ou retrancher localement le nombre d'harmonique utilisées lors du calcul, et permet de diminuer par deux le temps et l'espace mémoire requis par le calcul. A fin de résoudre efficacement le systeme d'équations obtenu, une méthode LU-SGS implicite est utilisée. Le schéma non-linéaire LU-SGS traite chaque cellule du maillage de façon locale, et donc est particulièrement adapté à notre méthode fréquentielle adaptative où le nombre d'harmoniques utilisées varie d'une cellule à l'autre. Les flux échangés entre deux cellules voisines sont transférés par le biais d'un terme source qui est mis à jour de façon itérative. De cette manière, le taux de convergence du schéma demeure indépendant du nombre d'harmoniques utilisées. Nous démontrons que la méthode LU-SGS permet un facteur d'accélération de plus d'un ordre de grandeur comparée au schéma Runge-Kutta explicite. Finalement, le concept de maillage déformable est aussi inclus à notre méthode de calcul pour écoulements périodiques. L'approche est validé en simulant l'écoulement laminaire autour d'un cylindre et d'un profil aérodynamique en mouvement oscillatoire.