Differential diffusion in a turbulent jet was investigated experimentally. The two primary objectives associated with this work were to systematically study: (i) the Reynolds number dependence, and (ii) the radial distribution of differential diffusion in the jet. These goals were simultaneously achieved, along with several secondary objectives, such as determining the scales at which differential diffusion is manifested and examining the effect of background turbulence on differential diffusion. / Experiments were performed in a momentum-driven, axisymmetric turbulent water jet, containing two passive scalars (fluorescent dyes) with differing molecular diffusivities (D). The jet issued into either a quiescent background or an approximately homogeneous, isotropic turbulent background. To determine the Reynolds number dependence, tests were conducted at five jet Reynolds numbers, ranging from Re = 900 to Re = 10600. (Re = u 0d/v, where u0 is the jet exit velocity, d is the jet exit diameter, and v is the kinematic viscosity.) / Laser-induced fluorescence (LIF) was employed to obtain instantaneous individual species concentrations at a downstream location, located in the self-similar region. At each Reynolds number, measurements were acquired at radial positions extending from the jet centreline to its edges. The normalized concentration difference, Z, was defined to elucidate differential diffusion effects. Statistics of this parameter revealed the magnitude of differential diffusion at each Reynolds number and radial location. In particular, the root-mean square of the normalized concentration difference, Z rms, gave an indication of the intensity of these effects. / Centreline results showed that differential diffusion effects slowly decay with increasing Reynolds number, scaling as Zrms ∝ Re-0.09. Even though the effects were decreasing, they were still non-zero at the highest Reynolds number studied (Zrms = 0.064 at the centreline at Re = 10600). Differential diffusion effects were also shown to increase (i) with increased radial position from the centreline, and (ii) in the presence of a turbulent background. These two instances, along with the increased differential diffusion at lower Reynolds numbers, support the hypothesis of an increase of differential diffusion effects as the occurrences of interfaces between dyed jet fluid and entrained ambient fluid increases. / Also presented are the first experimental measurements of the spectrum of the normalized concentration difference, EZ(K1 eta). These revealed the scales at which differential diffusion manifests itself. In all instances, these spectra were observed to decrease with wavenumber over all wavenumbers, consistent with a flow dominated by the decay of its scalar field. Although differential diffusion effects are molecular in origin, they persist at scales larger than the Kolmogorov scale.

The global effort to reduce the environmental impact of transportation has led to a renewed interest in electric vehicle technology. One of the factors limiting the success of electric vehicles is the high cost of current battery technology. Nickel-zinc batteries could potentially offer a low cost alternative for certain electric vehicle applications. This thesis explores the potential use of nickel-zinc batteries in a recreational-scale electric vehicle through the use of powertrain modeling and simulation. A methodology was established to analyze the performance of the batteries at various temperatures and an internal resistance battery model was developed. This model was then integrated into a previously validated powertrain model of an electric snowmobile in order to simulate the use of these batteries in a recreational vehicle application. The results of these simulations were recreated experimentally in a laboratory environment with reasonable accuracy, confirming the validity of the battery model and the employed methodology. / L'effort mené à l'échelle mondiale pour la réduction de l'impact environnemental des transports a mené à un renouveau de l'intérêt porté aux véhicules électriques. Un des facteurs importants qui limitent le succès de ces véhicules est le coût élevé des piles disponibles. Des piles au nickel-zinc pourraient potentiellement offrir une alternative abordable qui conviendrait aux besoins énergétiques de certains véhicules électriques. Ce mémoire explore le potentiel des piles au nickel-zinc pour les véhicules récréatifs électriques, en faisant de la modélisation et des simulations de motorisation. La performance des piles à différentes températures fut analysée afin de créer un modèle de leur résistance interne. Ce modèle fut intégré dans un modèle de la motorisation d'une motoneige électrique afin de simuler la performance des piles dans un véhicule récréatif. Des tests en laboratoire ont produit des résultats comparables à ceux produits par simulation virtuelle, confirmant ainsi la validité du modèle de pile et la méthodologie employée.

Miniaturized resonators are the critical components of microelectromechanical systems (MEMS) used for sensing, communications, imaging, and energy harvesting. For many of these applications, the important design parameters are the frequency of vibrations and the damping coefficient. Many mechanisms of dissipation –thermoelastic damping, internal friction, clamping losses, support losses and viscous damping –combine to determine the value of the damping coefficient of these micromechanical resonators. Accurate measurement of these various sources of dissipation is necessary for developing models of dissipation, and to devise guidelines for design. This thesis describes the design, assembly and validation of a system for measuring structural damping in micromechanical resonators as a function of temperature and frequency. The system employs electrostatic actuation to set the resonators into motion and optical detection to monitor that motion. It is also capable of measuring damping over a wide range of frequencies (100 Hz to 1 MHz) and temperatures (25 to 300 °C). This new system for measuring damping can enable experiments to measure the effects of various design and operating parameters on dissipation in miniaturized resonators. / Les résonateurs miniaturisés sont des éléments importants dans les systèmes micro-électro-mécaniques. Ils sont utilisés pour des systèmes de communication, des capteurs, de l'imagerie et de la récolte d'énergie. Plusieurs applications se basent sur deux paramètres très importants, notamment la fréquence des vibrations et le coefficient d'amortissement. Un grand nombre de mécanismes de dissipation – l'amortissement thermo élastique, le frottement interne, les pertes d'énergie qui viennent de la pince et du support, et l'amortissement visqueux – contribuent à la valeur du coefficient d'amortissement. Des mesures précisent de ces mécanismes sont nécessaires pour développer des modèles de dissipation et des guides de conceptions.Cette thèse décrit la conception, l'assemblage, et la validation d'un système de mesure d'amortissements structurels dans les résonateurs micromécaniques en fonction de la température et de la fréquence. Pour déclencher le résonateur, ce système emploi l'actionnement électrostatique. Le mouvement est détecté simplement par optique. Le système est capable de mesurer des valeurs d'amortissement au-delà d'une grande étendue de fréquences (100 Hz to 1 MHz) et de températures (20 to 300°C). Au niveau expérimental, ce nouveau système de mesure d'amortissement facilite les mesures des effets des paramètres d'opérations et de conception sur la dissipation d'énergie des résonateurs miniaturisés.

Measuring structural damping due to internal friction in deposited thin films can provide useful guidelines for the design of high-Q micro/nanomechanical resonators utilized used for sensing, communications and vibration energy harvesting. Such measurements can also generate valuable insights into the effects of size and confinement on the mechanisms of damping in these films. Typically, these measurements are carried out by depositing a thin film on a relatively thick cantilevered substrate and measuring the change in damping in the substrate/film composite. However, the measured damping is due to losses from several sources including support losses, clamping losses, thermoelastic damping (TED) and internal friction losses in the substrate/film composite. Accurately identifying the magnitude of internal friction in the film has been a long-standing difficulty in this field. This thesis presents the design and development of a silicon microcantilever platform to resolve this difficulty. At the core of the platform is the ability to reduce the damping in single crystal silicon microcantilevers to low levels of damping approaching the fundamental limits of dissipation established by thermoelastic damping (TED). This demonstrates that all other sources of damping (viscous losses, support losses and internal friction losses) are sufficiently low. These cantilevers can then be coated with the thin film of interest and the damping in the substrate/film composite measured. The measured damping is comprised of the thermoelastic damping in the substrate/film composite and the internal friction in the film. The former can be calculated using accurate models and the initial damping can be substracted from the measured damping in the composite to obtain an accurate estimate of the internal friction in the film. In this dissertation, single crystal silicon cantilevers ranging from 8 to 130 micrometers in thickness, and fundamental frequencies ranging from 80 Hz to 40 kHz were fabricated. Using the measurement platform, these beams are demonstrated to have low damping with values approaching the TED limit. Subsets of these beams are then used to carry out the first calibrated measurements on the effects of thickness and frequency on internal friction in thin films of aluminum, gold and silver at room temperature. The films ranged in thickness from 60 nm to 450 nm and were studied over frequencies from 100 Hz to 1.5 kHz. The results of this study provide two valuable guidelines for the design of low dissipation (high Q) layered composite resonators: gold leads to a smaller increase in damping than either aluminum or silver, and damping in the composite resonators can be decreased by reducing the film thickness. As a third design guideline, a strategy to control and minimize the damping by selective patterning of thin films on the resonator is described. In this work, a simple model is developed to predict the damping in partially metalized cantilevered beams and experimentally validated using the platform. The silicon microcantilever platform, and the results obtained using this platform establish a foundation for studying internal friction in thin films. / Mesurer l'amortissement structurel causé par friction interne dans les films minces déposés permet d'établir des recommandations pour le design de résonateurs micro/nanomécaniques ayant un facteur de qualité élevé, ainsi qu'apporter une meilleure compréhension de l'effet de la taille et du confinement sur le mécanisme d'amortissement de ces films minces. Ce type de résonateurs est utilisé dans les microsystèmes électromécaniques de détection, de communication et de récupération d'énergie vibratoire. Ces mesures d'amortissement sont réalisées en déposant un film mince sur un substrat ayant une forme de poutre en porte-à-faux et d'épaisseur relativement élevée, et en mesurant le changement d'amortissement de l'ensemble substrat/film. Cependant, l'amortissement global a des origines multiples, notamment des pertes provenant du support, du système de fixation, de l'amortissement thermoélastique, et de la friction interne dans l'ensemble substrat/film. Identifier avec précision l'amplitude de la friction interne dans le film est une difficulté de connue de longue date dans le milieu de la recherche scientifique. Cette thèse présente le design et le développement d'une plateforme en silicium ayant une micro-poutre en porte-à-faux afin de résoudre ce problème. L'intérêt principal de cette plateforme est que l'amortissement dans les micro-poutres en porte-à-faux faites en silicium monocristallin est réduit à un faible niveau approchant les limites théoriques de la dissipation établies par les lois de l'amortissement thermoélastique. Cela démontre que les autres sources d'amortissement (amortissement visqueux, pertes liées au support ou à la friction interne du substrat) sont suffisamment faibles. Par la suite, ces poutres peuvent être recouvertes par le film mince étudié et l'amortissement de l'ensemble substrat/film est mesuré. Cette mesure provient à la fois de l'amortissement thermoélastique dans l'ensemble substrat/film et de la friction interne dans le film mince. Cette dernière peut être calculée grâce à ces modèles précis, et l'amortissement initial du substrat peut être soustrait de l'amortissement mesuré pour l'ensemble substrat/film afin d'en déduire une estimation précise de la friction interne dans le film mince uniquement.Les poutres en porte-à-faux en silicium monocristallin fabriquées dans le cadre de cette thèse avaient une épaisseur comprise entre 8 et 130 µm, et une fréquence fondamentale comprise entre 80 Hz et 40 kHz. En utilisant la plateforme de mesure évoquée précédemment, le faible amortissement approchant la limite thermoélastique théorique de ces poutres est démontré. Ce type de poutres est ensuite utilisé pour mener les premières mesures calibrées portant sur l'effet de l'épaisseur et de la fréquence sur la friction interne dans les films minces d'aluminium, d'or, et d'argent à température ambiante. Les films minces avaient une épaisseur comprise entre 60 nm et 450 nm, et furent testés à des fréquences comprises entre 100 Hz et 1,5 kHz. Les résultats de cette étude établissent deux recommandations pour le design de résonateurs à couches minces à faible dissipation (haut facteur de qualité) : l'or induit une augmentation de l'amortissement qui est plus faible que celle induite par l'aluminium ou l'argent, et l'amortissement des résonateurs peut être diminué en réduisant l'épaisseur de la couche mince. Une troisième recommandation est donnée sous la forme d'une stratégie pour contrôler et minimiser l'amortissement en déposant le film mince sur le résonateur selon un certain motif au lieu d'une couche continue. Dans ce travail de recherche, un modèle simple est développé pour prédire l'amortissement des poutres en porte-à-faux partiellement recouvertes de métal. Ce modèle est ensuite validé expérimentalement grâce à la plateforme en silicium. Cette plateforme ainsi que les résultats obtenus en l'utilisant établissent les fondements de l'étude de la friction interne dans les films minces.

Outstanding issues concerning systematic design procedures for planar four-bar mechanisms, specifically three aspects hitherto not addressed, are treated in this thesis. These include advance-retire crank angle ratio for crank-rockers, angle ratio for double-rockers and, lead-lag angle ratio for double-cranks.This thesis aims to introduce a systematic method to determine parameters of planar four-bar mechanisms which specify a unique mechanism design. The design procedures introduced are based on the geometric properties of mechanisms. The symmetry of these geometric formulations makes it easy to find a unique mechanism design for defined design parameters. Moreover, the relations derived can be conveniently programmed and implemented in "Computer Aided Design (CAD)" algorithms. The equations, which are revealed for the first time in this thesis, can be used to determine a unique planar linkage design for specified design parameters. These design parameters are such characteristics of the mechanisms which are of particular importance to the designer, i.e., link lengths, assembly sequence and choice of fixed link. All design parameters and design formulations are dimensionless, giving this opportunity to the designer to select ratios instead of size. Crank-rocker, slider-crank, double-rocker, and double-crank mechanisms are studied in this thesis. The design parameters are: The ratio of coupler length to crank throw radius and the time ratio for crank-rocker and slider-crank; oscillating angles of two rockers and the ratio of two rocker link lengths for double-rocker; and specified minimum and maximum leads and the angles at which the driver link has these extreme leads relative to the driven link for crank-crank mechanisms. Each chapter is devoted to the design of one of three types of planar four-bar mechanisms. Crank-rocker and slider-crank mechanisms are studied in one chapter since their design procedures are mainly the same. Double-rocker and double-crank mechanisms are the others. For each type of mechanism, the design parameters are introduced, then the design process and design equations are provided and clarified with proper figures and plots. Finally, the design process is illustrated with numerical examples and validated by Grashof's criterion. Explanation of the step-by-step process to obtain each mechanism design is clearly illustrated with appropriate diagrams. / Les questions en suspens concernant les procédures systématiques de la conception du mécanisme planaire de quatre-barres, et spécifiquement trois aspects jusqu'ici non-abordés, sont traitées dans cette thèse. Ceux-ci incluent la conception du rapport des angles avance-retour pour des mécanismes à manivelle-balancier, rapport des angles pour des mécanismes à double-balancier et, rapport des angles avance-traîne pour des mécanismes à double-manivelle.Une méthode systématique est présentée afin de déterminer les paramètres des mécanismes planaires de quatre-barres qui donnent lieu à de mécanisme unique. Les procédures de conception présentées sont basées sur les propriétés géométriques des mécanismes. La symétrie de ces formulations géométriques facilite la recherche d'un mécanisme unique pour des paramètres de conception donnés. De plus, les équations de conception, proposées dans cette thèse, peuvent être commodément programmées dans les algorithmes de "Conception Assistée par Ordinateur (CAO)". Les équations, qui sont présentées pour la première fois dans cette thèse, peuvent être aussi utilisées afin de déterminer un mécanisme planaire unique pour des paramètres de conception donnés. Ces paramètres de conception sont les caractéristiques les plus importantes des mécanismes dans l'étape de la conception, c'est-à-dire, la longueur des maillons, la séquence de montage et le choix du maillon fixe. Le fait que tous les paramètres et formulations de conception soient à dimensionless fournit au concepteur l'opportunité de sélectionner les rapports plutôt que les dimensions absolues.Les mécanismes à manivelle-balancier, tiroir-manivelle, double-balancier, et double-manivelle sont étudiés dans cette thèse. Les paramètres de conception sont: Le rapport de la longueur de coupleur au rayon de manivelle et le rapport de temps pour les mécanismes manivelle-balancier et le tiroir-manivelle; des angles d'oscillation de deux balanciers et le rapport de deux longueurs des balanciers pour le mécanisme à double-balancier; et des avances minimum et maximum spécifiés et les angles extrêmes auxquels la barre entraînante à la barre entraînée pour des mécanismes à manivelle-manivelle. Chaque chapitre est consacré à la conception d'un type de mécanismes planaires de quatre-barres. Les mécanismes à manivelle-balancier et tiroir-manivelle sont étudiés dans un chapitre commun puisque leurs procédures de conception sont essentiellement les mêmes. Pour chaque type de mécanisme, les paramètres de conception sont présentés, puis, le processus et les équations de conception sont fournis et clarifiés par des images et des graphes appropriés. En conclusion, le processus de conception est illustré par des exemples numériques et validé par le critère de Grashof. L'explication étape par étape du processus de conception afin d'obtenir chaque mécanisme est clairement illustrée par des diagrammes appropriés.

This thesis presents a quasi-static step climbing behaviour for PAW (Platform for Ambulating Wheels) which is a minimal sensing quadruped robot equipped with wheels at the distal ends of its legs. Until the work conducted in this thesis, PAW could only use a jumping manoeuvre for obstacle clearance purposes. By developing a quasi-static step climbing behaviour described in this thesis, the robot's obstacle negotiation capabilities have been enhanced.In this work, the control methodology, with the corresponding controller parameters, is determined and the state machine of the manoeuvre is developed. In the quasi-static climbing manoeuvre, the robot benefits from wheel traction and uses its legs to reconfigure itself with respect to the step during the climb. Controller parameters for climbing are optimized in order to determine the maximum achievable height and to prescribe robot's posture and trajectory during the climb. For these purposes, constrained nonlinear optimizations are carried out with a simple 2D PAW model in Matlab. Optimized controller parameters and the state machine of the manoeuvre are then tested in a high fidelity MSC.ADAMS/Simulink co-simulation, and are verified. Finally, the proposed controller is implemented on the physical system and tested experimentally. With this controller, PAW is able to climb any step height of up to 0.143m autonomously with a single set of controller parameters without making any modifications to the system. / Cette thèse présente un fonctionnement de montée par paliers quasi-statique pour PAW (plateforme à roues ambulatoires), qui est un robot à détection minimale, quadrupède, équipé de roues aux extrémités distales de ses jambes. Avant le travail entrepris dans cette thèse, PAW pouvait juste utiliser une manœuvre de saut pour des motifs de franchissement d'obstacles. En développant un fonctionnement de montée par paliers quasi-statique dans cette thèse, les habiletés de négociation d'obstacle du robot ont été augmentées. Dans ce travail, la méthodologie de commande, avec les paramètres correspondants, est déterminé et la machine état de la manœuvre est développé. Dans la manœuvre de montée par paliers quasi-statique, le robot bénéficie de la traction des roues et utilise ses jambes pour se reconfigurer par rapport au palier durant la montée. Les paramètres du systéme de commande pour la montée sont optimisés pour déterminer la hauteur maximale réalisable et pour prescrire la posture et la trajectoire du robot durant la montée. Pour ces raisons, des optimisations non-linéaires restreintes sont faites avec un simple modèle 2D PAW dans Matlab. Les paramètres du commande optimisés ainsi que la machine état de la manœuvre sont ensuite testés dans une co-simulation haute fidélité MSC. ADAMS/Simulink, et sont ensuite vérifiés. Finalement, le commande proposé est implanté sur le système physique et testé expérimentalement. Avec ce commande, PAW est capable de monter tout palier d'une hauteur allant jusqu'à 0.143m, de façon autonome, avec un seul ensemble de paramètres de commande sans faire aucune modification au système.

Complementary computational and experimental investigations of steady, laminar, fluid flow and heat transfer in a vertical closed-loop thermosyphon operating with slurries of a microencapsulated phase-change material (MCPCM) suspended in distilled water are presented.The MCPCM particles consisted of a solid-liquid phase-change material (PCM) encapsulated in a polymer resin shell. Their effective diameter was in the range 0.5 μm to 12.5 μm, and had a mean value of 2.5 μm. Tests conducted with a differential scanning calorimeter (DSC) yielded the following data: starting with the PCM in its solid state, during monotonic heating, its melting starts gradually at about 20.0 °C, occurs mainly between 25.8 °C to 28.6 °C, and is completed by about 32.5 °C; during cooling after complete melting, supercooling of the liquid PCM to a temperature of about 18.1 °C is required for the initiation of freezing, which is then completed by about 15.0 °C; if cooling is started after only partial melting, no supercooling is required to start the freezing process; and the latent heat of fusion of the encapsulated PCM is 129.5 kJ/kg. The DSC data were used to deduce the variation of the effective specific heat of the MCPCM with temperature during both heating (melting) and cooling (freezing) processes. The effective density of the MCPCM during these processes was also determined, and the rheological behavior of the slurries was characterized. In the range of parameters considered, the slurries exhibited non-Newtonian behavior. The related experimental equipment, procedures, findings, and correlations for the aforementioned effective properties (for temperatures between 5°C and 55°C) are presented and discussed. The effective thermal conductivity of the slurries was determined using a correlation available in the literature. A thermosyphon was designed, built, instrumented, and used in the experimental investigation. It consisted of two vertical straight pipes (ID = 10.21 mm, OD = 12.70 mm and height of 2.198 m) made of stainless steel (316), joined together by two vertical semi-circular 180° bends made of the same pipe (mean bend radius of 0.229 m). On a portion of one of the vertical pipes, a Teflon-insulated nichrome wire was tightly wound on the outer surface and electrically heated to provide a thermal boundary condition of essentially constant heat flux, ranging from 150 W/m^2 to 1850 W/m^2. A portion of the other vertical pipe was cooled using a concentric annular heat exchanger, and its wall temperature was maintained at 13 °C and 19.5 °C. The outer surfaces of these various components of the thermosyphon were very well insulated. Calibrated thermocouples were used to measure outer-wall-surface temperature at numerous points over the heated portion and the bulk temperature of the slurry at four different locations. A special procedure was formulated, benchmarked, and used to deduce the mass flow rate of the slurries in the thermosyphon. The experimental investigation was conducted with slurries of MCPCM mass concentration 0% (pure distilled water), 7.5%, 10%, 12.5%, 15%, and 17.5%.In the computational investigation, a cost-effective homogeneous mathematical model was proposed and used for simulations of the laminar fluid flow and heat transfer. A control-volume finite element method was formulated (with several novel features) and employed to solve the two-dimensional, steady, axisymmetric fluid flow and thermal problems in the vertical heating and cooling sections of the thermosyphon, where local buoyancy effects were significant. In the remaining portions of the thermosyphon, a quasi-one-dimensional thermofluid model was used and solved using a segmented numerical method. This 1-D/2-D model and the numerical methods are described with special attention being given to the treatment of highly variable properties.Finally, the numerical and experimental results obtained in this investigation are presented, compared, and discussed. / Cette thèse présente des études numériques et expérimentales complémentaires d'écoulements laminaires et de transfert de chaleur en régime permanent au sein d'un thermosiphon à boucle fermée verticale opérant avec des suspensions de microcapsules d'un matériau à changement de phase (MCMCP) dispersées dans de l'eau distillée.Les MCMCP sont formées d'un matériau à changement de phase (MCP) encapsulé dans une enveloppe de résine polymérique. Leur diamètre équivalent est compris entre 0,5 μm et 12,5 μm et possède une valeur moyenne de 2,5 μm. Des études menées à l'aide d'un calorimètre différentiel à balayage (CDB) ont permis d'obtenir les données suivantes : lorsque soumis à un réchauffement continu à partir de l'état solide, la fusion du MCP s'amorce autour de 20,0 °C, se produit principalement entre 25,8 °C et 28,6 °C et se termine autour de 32,5 °C ; lorsqu'un refroidissement est entamé suite à une fusion complète, un abaissement de la température du MCP liquide à 18,1 °C est nécessaire afin d'amorcer la solidification qui se conclut alors à 15,0 °C ; si le refroidissement est entamé suite à une fusion partielle, le phénomène de surfusion décrit précédemment est absent ; finalement, la chaleur latente de fusion du MCP encapsulé est de 129,5 kJ/kg. Les données obtenues à l'aide du CDB ont permis d'évaluer la chaleur massique équivalente des MCMCP en fonction de la température lors d'un chauffage (fusion) et d'un refroidissement (solidification). La masse volumique équivalente des MCMCP fut aussi mesurée pour ces deux processus et le comportement rhéologique des MCMCP fut caractérisé comme étant non newtonien. Le matériel expérimental, les procédures, les résultats ainsi que les corrélations décrivant les propriétés équivalentes énumérées ci-haut (pour des températures allant de 5 °C à 55 °C) sont présentés. Un thermosiphon a été conçu, construit, instrumenté et utilisé afin de mener les expériences. Il est composé de deux tuyaux verticaux (diamètres interne et externe de 10,21 mm et 12,70 mm) faits d'acier inoxydable (316) et joints par deux coudes de 180° (rayon de courbure de 0.229 m) de sections transversales identiques. Un fil de nichrome recouvert d'une gaine isolante de Téflon embobiné autour d'une portion de la surface extérieure de l'un des tuyaux verticaux et ensuite chauffé à l'aide d'un courant électrique permit d'appliquer une condition aux limites s'apparentant à un flux thermique essentiellement constant (allant de 150 W/m^2 à 1850 W/m^2). Une portion de l'autre tuyau vertical a été refroidie à l'aide d'un échangeur de chaleur annulaire grâce auquel la température de sa paroi externe fut maintenue à 13 °C et 19.5 °C. Les surfaces externes des composants formant le thermosiphon ont été recouvertes d'un isolant. Des thermocouples étalonnés ont permis de mesurer la température de la surface externe de la section chauffante à de multiples endroits ainsi que la température de mélange à quatre emplacements de la boucle. Une procédure permettant de mesurer le débit massique des suspensions au sein du thermosiphon a été formulée et validée. Les études expérimentales ont été menées avec des suspensions ayant des concentrations massiques de 0% (eau distillée), 7.5%, 10%, 12.5%, 15% et 17.5%.Un modèle homogène a été proposé et utilisé lors des simulations d'écoulements et de transfert de chaleur en régime laminaire. Une méthode des éléments finis à volumes de contrôle a été formulée ainsi qu'améliorée avant d'être ultimement utilisée afin de résoudre les problèmes stationnaires et axisymétriques au sein des sections de chauffage et de refroidissement, où les effets de convection mixte sont significatifs. Une approche quasi unidimensionnelle, résolue à l'aide d'une méthode numérique segmentée, a été utilisée dans les autres sections du thermosiphon afin d'y résoudre les problèmes d'écoulements et de transfert de chaleur.Finalement, les résultats des simulations et des expériences sont présentés, comparés puis discutés.

Interfaces between subsystems in collaborative product development projects are presently defined by interface control documents. These documents are created after agreements are made between designers on how to design subsystem interfaces. The designers must commit to the definitions given by these documents in order to ensure their subsystems remain compatible as the design process continues. An important consequence of using interface control documents during product development processes is that they make the interface control task manual and document based, which can impede design processes.This thesis presents the ingredients of a computer aided methodology for defining and controlling subsystem interfaces. In this thesis, interfaces are port to port interactions between subsystems. Ports are specified attributively. The two main sources of attributes that specify a port are its form and function. Two ports are called compatible if the values of their attributes satisfy the compatibility constraints that have been defined for them. An interface can be established between two ports if they are compatible.Compatibility constraints are defined by different subsystem designers. They are transformed into interface control rules in order to be used to control the status of interfaces during a product development project. The rules altogether constitute a knowledge base that can be used for compatibility checking. The left hand sides of the rules in the knowledge base correspond to the compatibility constraints that have been defined for ports. The right hand sides of the rules specify detection messages that alert designers about violations of compatibility constraints as well as their exact location. The interface control knowledge base is the computer manageable representation of interface control documents.The thesis also proposes a mechanism that ensures interface definitions are created consistently by different teams. An ontology is used for this purpose. The ontology explicitly provides a vocabulary from which port attributes can be chosen. By committing to the ontology, interface definitions are defined consistently. Finally, the thesis proposes a software architecture that can operate on the ontology and the interface control knowledge base to control the consistency and compatibility of interfaces during collaboration. A piece of software that corresponds to the proposed architecture is implemented to demonstrate its key functionalities. The functionalities are illustrated by means of two examples that show how interface information in a design project can be captured by the software and how the consistency and compatibility of interfaces can be checked. / Les interfaces entre les sous-systèmes dans les projets collaboratifs de développement de produits sont actuellement définies par les documents de contrôle d'interface. Ces documents sont créés après que des accords soient conclus entre les concepteurs sur la façon de concevoir les interfaces des sous-systèmes. Les concepteurs doivent s'engager à respecter les définitions données par ces documents afin de s'assurer que leurs sous-systèmes restent compatibles courant le processus de conception. Une conséquence importante de l'utilisation de documents de contrôle d'interface au cours des processus de développement de produits, c'est qu'ils rendent la tâche de contrôle d'interface manuelle et liée à des documents, ce qui peut entraver les processus de conception. Cette thèse présente les ingrédients d'une méthodologie assistée par ordinateur pour définir et contrôler les interfaces des sous-systèmes. Dans cette thèse, des interfaces sont des interactions port à port entre des sous-systèmes. Les ports sont précisés au moyen de leurs attributs. Les deux principales sources d'attributs qui spécifient un port sont sa forme et sa fonction. Deux ports sont appelés compatibles si les valeurs de leurs attributs satisfont des contraintes de compatibilité qui ont été définies pour eux. Une interface peut être établie entre deux ports s'ils sont compatibles.Des contraintes de compatibilité sont définies par les concepteurs qui développent des sous-systèmes différents. Elles sont transformées en règles de contrôle d'interface afin d'être utilisées pour contrôler l'état des interfaces au cours d'un projet de développement de produits. Tout en tout, les règles constituent une base de connaissances qui peut être utilisée pour la vérification de compatibilité. Les côtés gauches des règles dans la base de connaissances correspondent aux contraintes de compatibilité qui ont été définies pour les ports. Les côtés droits des règles spécifient les messages de détection qui alertent les concepteurs sur des contraintes de compatibilité violées avec leurs emplacements exacts. La base de connaissances de contrôle d'interface est la représentation de documents de contrôle d'interface qui est gérable par ordinateur. La thèse propose également un mécanisme qui assure que les définitions des interfaces sont créées de manière cohérente. Une ontologie est utilisée à cette fin. L'ontologie fournit explicitement un vocabulaire à partir de laquelle les attributs des ports peuvent être choisis. En s'engageant à l'ontologie, la définition des interfaces est définie de façon cohérente.Enfin, la thèse propose une architecture logicielle qui peut fonctionner sur l'ontologie et la base de connaissances de contrôle d'interface pour contrôler la cohérence et la compatibilité des interfaces au cours d'une collaboration. Un logiciel qui correspond à l'architecture proposée est implémenté afin de démontrer ses fonctionnalités clés. Les fonctionnalités sont illustrées au moyen de deux exemples qui montrent comment les informations d'interface dans un projet de conception peuvent être capturées par le logiciel et comment la cohérence et la compatibilité des interfaces peuvent être vérifiées.

In steel production, an electric arc furnace (EAF) is most commonly used to melt raw material in order to produce liquid steel. Scrap is the main raw material which differs in regard to the content of iron and of some chemical elements. The price of scrap depends on these attributes. In order to obtain the desired quality and quantity, each melting bath unit of steel has either its own material constraints or the constraints for electric arc furnace such as the capacity of EAF. In addition, the availability and transportation of scrap are also restricted because they need space. The research in this thesis is to create an optimization model which minimizes the cost of raw material and charges the EAF efficiently while meeting the constraints of the scrap recipe and scrap transportation system. This problem is a combinational optimization problem and the model is developed based on linear programming theory. The running speed of the model is reasonably guaranteed by properly designing the combinatorial structure with branch and bound rules and heuristics. Finally, a software is created by representing the model in the spreadsheet, which can be used in real, everyday production. Simulation results show significant improvement compared to the strategy applied today at ArcelorMittal(Contrecoeur, Quebec): the cost of scrap steel is reduced by 2 to 6% and the time of charging buckets is 2 to 10 minutes faster. / Dans la production d'acier, four à arc électrique (FEA) est la technologie la plus couramment utilisée pour faire fondre les matières premières afin de obtenir de l'acier liquide. La ferraille est la matière première principale dont les types se diffèrent selon le contenu de fer et d'autres éléments chimiques. Le prix de la ferraille dépend de ces attributs. Afin d'obtenir la qualité et la quantité souhaitées, chaque unité bain de fusion de l'acier a subi à ses propres contraintes matérielles ou des contraintes liées au four à arc électrique, telles que la capacité du FEA. En outre, la disponibilité et la capacité à transporter de la ferraille sont également limitées, en raison d'espace limité. L'objectif dans cette thèse est de créer un modèle d'optimisation qui minimise le coût des matières premières et charge le FEA efficacement afin de satisfaire des contraintes de la recette de ferraille et de transport de ferraille. Le modèle est développé sur la base de théorie de la programmation linéaire. La vitesse de l'exécution du modèle est raisonnablement garantie par une bonne conception de la structure combinatoire avec les règles de 'branch and bound' et heuristiques. Enfin, un logiciel qui applique le modèle est créé. Celui-ci peut être utilisé dans la production réelle quotidienne. Les résultats des simulations montrent une amélioration significative par rapport aux pratiques actuelles de planification de production appliquée aujourd'hui dans ArcelorMittal (Contrecoeur, Quebec): le coût de la ferraille est réduite de 2 à 6 pour cent et le temps de godets de charge est de 2 à 10 minutes plus vite.

We are living in an increasingly complex world. Threats to human life resulting from chemical attacks, as well as terrorism are real. Consequences of such acts are devastating. The main objectives of an Early Warning and Response System (eWAR) are detection, identification, quantification and neutralization of dangerous chemical agents. The primary goal of this project is to create a system which can prevent the spread of chemical agents via a ventilation system of a public building (e.g., a school, a hospital or a government building). Our approach is realistic. The proposed system should be easily implemented in the existing buildings. It also must be cost efficient. In short, we are developing a system capable of accomplishing security- and economy-related requirements while improving design criteria for building ventilation. It is based on the concept of Immune Buildings and will eventually lead to enhanced security in public buildings. / Nous vivons dans un monde de plus en plus complexe. Les menaces de la vie humaine que ça soit par des attaques chimiques, ou terroriste sont réelles. Les conséquences de tels actes sont dévastatrices. Les principaux objectifs d'un système de pré-avertissement et de réponse (eWAR) sont la détection, l'identification, la quantification et la neutralisation des produits chimiques dangereux. Le but primaire de ce projet est à créer un système qui pourra empêcher la diffusion des agents chimiques dans un système de ventilation d'un édifice public (une école, un hôpital ou même un bâtiment de l'état). Notre stratégie est réaliste. Le système que nous proposons devrait facilement être implémenté dans des bâtiments existants à coût abordable. En bref, nous développons un système capable de remplir les exigences de sécurités, à coût abordable tout en améliorant les critères de conception des ventilations dans les bâtiments. Ce projet est basé sur la réalisation des bâtiments immunisés qui augmentera en conséquence la sécurité dans les édifices publics. fr