Dans ce mémoire, le problème radiatif est d'abord traité par la méthode des ordonnées discrètes. Un nouveau schéma de différenciation basé sur la nouvelle approche appliquée par le Groupe de Recherche en Ingénierie des Procédés et Systèmes (GRIPS), est présenté pour déterminer les champs des luminances radiatives et des températures à l'intérieur d'une cavité bidimensionnelle dont les surfaces sont à réflexion diffuse, le maillage est quadrangulaire et peut être non structuré. On applique cette technique au calcul du transfert radiatif dans des géométries complexes. Cette méthode ne donne pas d'oscillation sur le champ de luminances et permet d'obtenir des solutions précises. Ensuite, on développe l'algorithme SIMPLER pour résoudre les écoulements visqueux incompressibles en régime stationnaire, dans le but de traiter des problèmes de couplage rayonnement-convection naturelle. Les résultats obtenus nous permettent de conclure que cette nouvelle technique de la méthode des ordonnées discrètes peut être insérée facilement dans l'algorithme d'écoulement, et de donner des résultats précis.

On présente dans ce mémoire le travail de recherche qui a été effectué dans le cadre de la Maîtrise en Ingénierie de l'Université du Québec à Chicoutimi. Ce travail a été commandé par Électricité de France, en collaboration avec le Professeur SYLVAIN BOIVIN et le Groupe Interdisciplinaire de Recherche en Éléments Finis de l'Université Laval, dirigé par le Professeur MICHEL FORTIN. Ce travail a tenté de contribuer à la recherche sur les méthodes de volumes finis sur maillages non structurés, encore peu utilisées malgré leurs qualités intrinsèques, comme la conservation numérique locale des quantités conservatives, et la capacité à traiter des géométries complexes. En ce qui concerne la discrétisation en espace, un schéma récent pour la diffusion a été testé et a confirmé, au cours des nombreuses simulations effectuées, ses excellentes qualités de précision, de facilité de mise en oeuvre et de faible coût de calcul, qui en font un candidat extrêmement intéressant pour les applications industrielles. Les tests effectués d'autre part sur les schémas pour la convection, sur un système inconditionnellement hyperbolique de type Euler isentropique, ont montré l'extrême robustesse du schéma de RuSANOV. Ce schéma constitue donc une alternative aux schémas classiques (GODUNOV et ROE) et au plus récent schéma de VFROE [27], en particulier pour les applications industrielles où ils ne peuvent être mis en oeuvre ou lorsque la robustesse est le facteur limitant. Ces schémas ont été testés ici dans un cadre bidimensionnel, mais la généralisation au cadre tridimensionnel est possible, et cette extension est d'ailleurs en cours à l'U.Q.A.C. en ce qui concerne les calculs monophasiques. Concernant la discrétisation en temps, une méthode de prédiction-correction a été utilisée et s'est montrée parfaitement adaptée à la résolution des systèmes physiques considérés ici, qui modélisent des écoulements monophasiques et diphasiques où apparaît une contrainte stationnaire du fait des hypothèses d'incompressibilité. La flexibilité de cette méthode a permis de traiter avec succès de nombreux problèmes physiques monophasiques, des écoulements incompressibles d'un fluide visqueux au transport de polluant, en passant par la convection naturelle d'un fluide de BOUSSINESQ, etc. Enfin, concernant la physique des écoulements diphasiques, les effets de compactage maximal ont été obtenus dans le système continu par l'utilisation d'une loi de pression granulaire présentant une asymptote verticale au taux de compactage maximal. Cette propriété permet la simulation de configurations industrielles du type lits fluidisés denses, où le taux de présence des particules varie d'une valeur quasi-nulle (au sein de bulles) aux alentours du taux de compactage maximal. Une telle simulation n'a pu être menée à terme dans le cadre de ce travail, mais chaque composante de la méthode a été testée et un test complet de compactage a été effectué, démontrant la faisabilité de ce calcul.

Alors que des recherches ont déjà été effectuées sur la résistance en traction et en compression de la glace atmosphérique (givre et verglas), il n'existe à peu près pas de valeurs connues pour la résistance au cisaillement de ce type de glace. La connaissance de ces valeurs et des modèles de comportement rhéologique en cisaillement est nécessaire pour l'analyse du comportement des structures sous l'effet du givre et du verglas, pour la détermination des critères de rupture applicables à la glace atmosphérique et pour l'évaluation des contraintes admissibles dans ce matériau pour les domaines fragile et ductile. L'objectif de cette recherche est de développer une méthode d'évaluation de la résistance au cisaillement de la glace atmosphérique en fonction des conditions météorologiques de formation et du taux de déformation, à partir d'échantillons formés en laboratoire. L'objectif premier est de déterminer les propriétés mécaniques du matériau; cependant, la diversité des essais de cisaillement effectués au cours de la présente étude a été également planifiée pour évaluer les influences des différents paramètres dimensionnels de l'appareil et de l'éprouvette sur les mesures obtenues. C'est pourquoi un seul type de glace a été utilisé pour la fabrication des éprouvettes. Les échantillons de glace atmosphérique sont formés en laboratoire dans des conditions préétablies et contrôlées. Les échantillons obtenus sont plus adéquats que ceux formés dans des conditions atmosphériques naturelles. La glace, du givre dur dont la masse volumique est d'environ 850 kg/m3, est formée à partir de gouttelettes surfondues projetées sur un obstacle (le collecteur) qui est placé dans une soufflerie en circuit ouvert. Les valeurs des paramètres atmosphériques de formation utilisés sont de -14°C pour la température de l'air dans la chambre froide, 16 m/s pour la vitesse de l'air dans la soufflerie, 1,2 g/m3 pour la teneur en eau de l'air et de 40 um pour le diamètre volumique médian des gouttelettes. Les éprouvettes sont usinées à 68 ou 70 mm de diamètre et à 8,10 ou 12 mm d'épaisseur sur un tour parallèle. Un groupe de 6 éprouvettes peut être produit sur le même manchon (glace et collecteur). Finalement, le collecteur est démonté pour permettre la manipulation des éprouvettes. L'évaluation de la résistance au cisaillement est effectuée par une méthode de poinçonnage en utilisant une presse mécanique à vitesse de déplacement contrôlée. L'appareil de cisaillement utilisé a été conçu de façon à permettre le confinement total ou partiel de l'échantillon de glace. Dans ces deux modes de chargement, les 213 ruptures des éprouvettes de glace ont été effectuées à des taux de déformation (y) variant de 0,0001 à 40 sec-1. Des vitesses de déplacement du poinçon de 0,002 à 400 mm/min ont été utilisées pour obtenir ces taux de déformation. En confinement partiel, les contraintes maximales de rupture passent par un maximum dans la zone de transition ductile-fragile du matériau. Elles atteignent 1,5 MPa au taux de déformation de 0,03 sec-1. En confinement total, la contrainte de rupture croît avec le taux de déformation et atteint 8 MPa pour le taux de 40 sec1. Quoiqu'il soit utilisé pour l'identification des essais, il a été possible de démontrer que la valeur du taux de déformation, déterminé par la relation entre le déplacement du poinçon et le jeu radial entre ce dernier et la matrice, ne représente pas le comportement réel de l'éprouvette. Il a été constaté que la valeur du module de cisaillement variait de façon presque proportionnelle avec celle du jeu, ce qui conduit à l'inexactitude du modèle de déformation utilisé. Cette relation existe entre le jeu et les valeurs du module puisque les dimensions utilisées n'ont pas eu d'influence sur les taux de montée en charge de l'éprouvette. Cependant, la dimension du jeu occasionne une légère baisse de la valeur des contraintes maximales lorsque sa dimension est supérieure à 2 mm. En utilisant le modèle de déformation énoncé dans cette étude, la valeur moyenne du module de cisaillement est 2,2 MPa. En se servant de la même méthode que Lavrov (1969) pour déterminer la déformation appliquée à l'éprouvette, les valeurs de ce module se situent entre 12 et 73 MPa pour les essais en confinement total et entre 7 et 40 MPa pour ceux en confinement partiel. Finalement, ces travaux ont permis de démontrer que la valeur de la rigidité de cisaillement brute de l'éprouvette de glace variait proportionnellement avec celle de la contrainte maximale. Cette rigidité représente le taux de montée en charge de la contrainte par mètre de déplacement du poinçon. Elle atteint 7,5 GPa/m au taux de déformation de 40 sec-1 pour les essais effectués en confinement total et 5 GPa/m dans la zone de transition pour ceux effectués en confinement partiel.

La formation de glace sur les avions au sol, qui est nuisible au décollage, est empêchée par l'application de fluides antigivre et dégivrant. La présence de ces fluides sur les ailes, tout comme la glace, au moment de l'accélération diminue la force verticale (portance) appliquée par l'écoulement d'air sur l'aile. Cette diminution est directement reliée à l'épaisseur de la couche limite de l'air qui se développe au-dessus du fluide. Des procédures expérimentales permettent de définir le comportement de l'écoulement de l'air, sur l'aile d'avion, en présence du film fluide à partir des mesures de l'épaisseur de déplacement de la couche limite (EDCL) sur une plaque plane horizontale. Le coût de ces essais force la recherche à s'orienter vers la prédiction analytique basée essentiellement sur les caractéristiques du fluide appliqué. Ce projet est une contribution à la recherche dans ce domaine qui consiste à la détermination de méthode de prédiction des pertes de portance en fonction des caractéristiques du fluide. Le projet consiste en une étude approfondie du comportement pseudo-plastique (viscosité) des fluides antigivre commerciaux associée à celle du développement de la couche limite sur une plaque plane recouverte d'un film fluide antigivre durant une accélération similaire à celle d'un décollage d'un avion de ligne. Un volet analytique s'ajoute aux résultats expérimentaux, d'une part pour obtenir un algorithme de calculs qui permet de prédire la valeur de l'EDCL en turbulence, à partir du profil de vitesses, en conjonction avec l'équation de Von Karman et d'autre part pour prédire les conditions qui amènent l'instabilité hydrodynamique de l'interface air/fluide selon la méthode développée par Yih. Cette étude a permis de définir que les vagues à l'interface air/fluide sont générées à la transition laminaire-turbulent à une vitesse de l'ordre de 15 m/s. De plus, on constate qu'une partie importante du fluide est éliminée lorsque la présence des vagues, qui augmentent le frottement, force le fluide pseudo-plastique à se liquéfier. C'est à ce moment, que l'EDCL est le plus élevé et par conséquent, la perte de portance maximum. Les résultats montrent que le taux d'élimination du fluide au moment de cette instabilité est maximum. De plus, cette étude permet de comparer les hauteurs des vagues à celles des rugosités dynamiques équivalentes. En effet, les vagues ont un impact semblable à celui des rugosités sur une plaque plane rugueuse. Ainsi, lorsque le régime d'écoulement de l'air atteint 65 m/s après 30 s, les effets de hauteur et de densité des vagues sur l'EDCL sont du même ordre. Durant la période d'élimination massique du fluide, au début de l'instabilité et de la formation des vagues, le phénomène rugueux est plus complexe car les vagues forment des amas de fluide qui bloquent l'écoulement de l'air. Une application pratique de cette étude permet de définir que les vitesses de rotation sur le mandrin du viscosimètre nécessaires pour créer la même sollicitation que l'air sur le fluide, appliquées sur l'aile, sont de l'ordre de 0,3 RPM lorsque l'avion est au repos et 200 RPM lorsque l'avion de ligne quitte le sol.

Ce mémoire présente les résultats d'une étude dont le but est d'évaluer l'influence de quatre paramètres sur les échanges thermiques à l'intérieur d'un four d'homogénéisation de lingots d'aluminium. Cette étude a été réalisée par l'intermédiaire d'un modèle numérique, tri-dimensionnel et en régime transitoire, élaboré à l'aide des logiciels commerciaux suivants: PATRAN (PDA Engineering) comme pré- et post-processeur, FLOTRAN (Compuflo) pour la simulation de l'écoulement des gaz chauds et P/THERMAL, pour la simulation du rayonnement et de la conduction de la chaleur à l'intérieur du lingot, chaleur reçue par convection forcée et/ou par rayonnement. Le modèle permet de quantifier l'apport de chaleur dû au rayonnement et celui dû à la convection forcée. Il permet également d'étudier, sans s'y limiter, l'influence des paramètres suivants sur les échanges thermiques à l'intérieur du four: la distance entre les lingots, le débit massique des gaz, la température des gaz et la longueur des lingots. Les résultats de l'étude montrent que le rayonnement est responsable d'environ 24% de l'apport total de chaleur. Quant au transfert de chaleur par convection forcée, on trouve d'abord qu'il est optimum pour une distance bien précise entre les lingots, ensuite, qu'il varie proportionnellement au débit massique, à la température des gaz et à la longueur des lingots. Il est possible d'obtenir, par calcul, une très bonne évaluation du facteur de proportionnalité en se référant à la méthode de calcul du coefficient de film convectif pour un écoulement libre sur une surface plane. Cette relation entre les résultats numériques et les prédictions empiriques est intéressante car elle permet d'obtenir, sans faire de longues simulations, le coefficient de film moyen à la surface du lingot pour des cas qui n'ont pas été considérés dans cette étude. En fonction des hypothèses de départ et des résultats obtenus, le modèle numérique, élaboré au cours de ces travaux de recherche, est donc apte à simuler les échanges thermiques à l'intérieur d'un four d'homogénéisation.

Le but de ce travail est de concevoir une méthode permettant de calculer le coefficient transitoire de transfert de chaleur à l'interface moule/métal lors de la solidification de l'aluminium pur commercial. La méthode de calcul proposée consiste à déterminer la température à la surface de l'aluminium, la température à la paroi interne du moule et le flux de chaleur traversant l'interface moule/métal. L'obtention de ces valeurs se fait par l'utilisation complémentaire d'une expérimentation et d'un modèle numérique. L'expérimentation permet d'obtenir les conditions initiales et aux limites du modèle numérique. Le montage expérimental se compose d'un moule cylindrique (hauteur de 22.5 cm, rayon interne de 5 cm et rayon externe de 9 cm) permettant d'obtenir une solidification unidirectionnelle et radiale, d'un système d'alimentation, et de capteurs de température. Le modèle numérique repose sur les équations de conduction de chaleur, développées en coordonnées cylindriques pour la direction radiale. Le moule et l'aluminium solide sont traités avec les équations de conduction de chaleur, et l'aluminium liquide et diphasique sont traités avec la méthode enthalpique de Voiler. Diverses techniques ont été développées pour combiner l'expérimentation et le modèle numérique: une méthode de lissage permettant d'éliminer le bruit contenu dans les données expérimentales; une méthode spécifique de calcul des conditions aux limites à partir des valeurs expérimentales; et, enfin, une méthode de correction du modèle unidimensionnel qui prend en compte la perte de chaleur induite par la dissymétrie verticale. Les résultats obtenus permettent de valider l'expérimentation et le modèle numérique, et, aussi, d'évaluer les causes d'erreurs dues aux capteurs utilisés. Le coefficient de transfert de chaleur à l'interface moule/métal montre un comportement transitoire jusqu'à 200 s puis quasi stationnaire par la suite. La valeur maximale du coefficient est de l'ordre de 2400 W/m2Kpour un écart de température de l'ordre de 500°C entre la paroi interne du moule et la surface de l'aluminium liquide. La valeur du coefficient apparaît comme relativement indépendante des conditions initiales de température (dans le domaine d'utilisation industrielle). La situation expérimentale obtenue s'avère correctement unidimensionnelle dans le moule. L'approximation unidimensionnelle est moins bonne dans l'aluminium, mais la méthode de calcul reste suffisamment précise, de l'ordre de 4%, dans la partie transitoire. La méthode décrite peut être utilisée pour déterminer les valeurs du coefficient en fonction des conditions de moulage comme les températures initiales du moule et de l'aluminium, le type et l'épaisseur du revêtement recouvrant les parois du moule. Après modification, elle pourra être aussi utilisée pour les alliages.

Un problème important de l'exploitation des éoliennes en climat nordique est le givrage des pales. Actuellement, l'utilisation de systèmes de protections contre le givre pour les pales est très peu répandue en raison de leur grande consommation énergétique et de leur aspect non sécuritaire. Une alternative très intéressante en ce moment est l'utilisation de revêtements glaciophobes car ils s'avèrent non énergivores mais leur efficacité et leur durabilité n'ont pas encore été démontrées en éolien. L'éolienne étant une structure dynamique particulière et les événements de givrage étant de plusieurs types, une compréhension du processus d'accrétion de la glace sur différents types de revêtements est nécessaire pour l'avancement des connaissances dans le domaine. À cette fin, des expériences ont été conduites dans la soufflerie réfrigérée du Laboratoire international des matériaux antigivre de l'Université du Québec à Chicoutimi sur une section d'une pale statique avec trois produits glaciophobes commerciaux choisis selon des critères spécifiques. Les conditions expérimentales se basent sur des événements de givrage réels et représentent un événement de givre sévère. La mise à l'échelle de ces événements de givre réels a conduit à deux vitesses en soufflerie (21 et 33m/s), deux températures de l'air (-5 et -20°C) et à une teneur en eau de 0.4g/m3. Les essais portent sur des surfaces de pales recouvertes avec les revêtements seuls et, ensuite, une combinaison de chaque revêtement avec un système électrothermique de protection contre le givre. L'évaluation de l'efficacité des dispositifs est effectuée par l'analyse des formes de glace obtenues, des puissances consommées par les diverses combinaisons d'antigivrage et de dégivrage et enfin grâce à l'analyse de la distribution des températures internes du système. Lorsqu'il est utilisé comme système de protection contre le givre, aucun revêtement à caractère glaciophobe n'est efficace pour réduire de façon significative l'accumulation de la glace sur les pales. Par contre, combiné à un système antigivrage électrothermique, ce type de revêtement s'avère efficace. La puissance doit néanmoins être suffisamment élevée de façon à occasionner un effet de ruissellement. Les revêtements hydrophobes réduisent d'environs 7% la puissance consommée par le système antigivrage électrothermique tandis qu'un revêtement superhydrophobe réduit jusqu'à deux fois plus cette puissance consommée. En mode dégivrage, une réduction de l'ordre de 15% est notée avec le revêtement superhydrophobe. Ces réductions de puissance sont dues en grande partie à l'hydrophobicité des surfaces.

Selon des recherches récentes, certains autocars remplis de passagers dépassaient les normes de chargement par essieux ce qui cause l'endommagement des routes. Manifestement, la réduction du poids des autocars en utilisant des matériaux légers tels que l'aluminium est nécessaire. Certes, une conception en aluminium apporte un gain de poids considérable, une préservation de l'environnement tout en augmentant la résistance à la corrosion et aux charges concentrées. Elle nous procure aussi un coût d'entretien réduit et une consommation de carburant des plus moindres. Dans ce projet, la partie châssis de l'autocar a été étudiée. Pour la réalisation de cette étude, un modèle analytique a été développé afin d'analyser la partie vibratoire et dynamique. Pour le modèle vibratoire, le châssis a été simplifié en une poutre simple à parois minces dont le poids, le volume et l'inertie sont très proches de ceux du châssis de référence. Dans la partie dynamique de ce projet, les forces qui agissent sur les points d'appui du châssis de l'autocar ont été calculées. Les résultats des modes vibratoires obtenus pour les châssis conçus en aluminium et en acier de même dimension sont similaires. Par contre, les forces et les contraintes appliquées sur les différents éléments composant l'autocar sont élevées. D'autre part, la conception d'un châssis léger et résistant augmentera certainement les performances dynamiques d'un autocar (accélération, freinage, etc.). La conception préliminaire démontre que le poids global du châssis conçu a diminué de plus de 30 % par rapport à un châssis en acier standard. Ce résultat peut encore être optimisé en utilisant une conception plus améliorée.

Ce projet, réalisé à la demande du Laboratoire International des Matériaux Antigivre, a pour but de mesurer et définir expérimentalement l'impact de revêtements hydrophobes sur les coefficients de traînée et de portance d'un profil NACA 0012. Pour ce faire, la balance aérodynamique du LIMA devait tout d'abord être améliorée afin d'offrir une sensibilité suffisante pour réaliser le projet. Plusieurs améliorations ont été faites, comme le changement des cellules de charge, la diminution du nombre de cellules de charge, le changement du cadre de la balance, etc. Une fois ces améliorations terminées, la reproductibilité, l'exactitude et la sensibilité ont été validés afin de s'assurer de la fiabilité des résultats offerts par la balance. Pour les angles d'attaque étudiés avec les revêtements, soient -6° et 0°, la balance a une reproductibilité de ±2,06% à 360 000 de nombre de Reynolds. Pour valider la sensibilité, des essais à -6° et 0° d'angle d'attaque et des nombres de Reynolds de 360 000 et 500 000 ont été faits avec des papiers sablés. Les résultats de ces essais ont permis de tracer des courbes de tendances du coefficient de traînée du NACA 0012 en fonction de la rugosité de surface et d'établir la valeur de la sensibilité de la balance à ±8 um. Cinq revêtements populaires ont été choisis pour l'expérimentation, soient le Wearlon, le Staclean, le Hirec, le Phasebreak ainsi que le Nusil. Les revêtements sont soumis aux mêmes conditions expérimentales que les papiers sablés, et une rugosité équivalente est trouvée par extrapolation des résultats. Cependant, les rugosités équivalentes de surfaces diffèrent entre -6° et 0°. Les essais avec le Staclean et le Hirec donnent des coefficients de traînée équivalent à ceux avec l'aluminium, alors que le Wearlon, le Nusil et le Phasebreak donnent une augmentation du coefficient de traînée de 13%, 17% et 25% respectivement par rapport à l'aluminium. Pour les coefficients de portance, la balance ne détecte pas l'effet des revêtements, ni des papiers sablés, sur la force de portance ce qui signifie qu'il entre dans l'insensibilité de la balance. La dernière étape expérimentale consistait à mesurer l'impact des revêtements sur la formation de la glace ainsi que sur l'évolution des coefficients de traînée et de portance du NACA 0012 en fonction de l'accumulation de glace sur celui-ci. Le Wearlon a été choisi comme revêtement en raison de sa grande popularité. Des essais à -5°C et -20°C ont été faits et les résultats ont montrés que le Wearlon n'apporte pas d'effet bénéfique au NACA 0012 en conditions d'accumulations de glace. L'augmentation du coefficient de traînée du profil muni du Wearlon débutait plus rapidement que sur l'aluminium et de l'eau gelait légèrement plus loin vers l'arrière du profil pendant les essais, ce qui n'est pas souhaitable. Le coefficient de traînée est supérieur, d'environ 13% pour le Wearlon par rapport à l'aluminium pendant toute l'accumulation de glace, ce qui correspond au même écart lorsque la glace n'est pas en cause. Pour le coefficient de portance, les résultats ne peuvent être utilisés pour une raison qui doit être investiguée.

L'utilisation des matériaux légers et résistants dans la fabrication industrielle des automobiles, est un sujet actuel qui préoccupe plusieurs centres de recherche. Ceci a pour but de réduire le poids, et de diminuer la consommation en carburants. Dans ce contexte, nous nous intéressons à étudier l'effet des sollicitations de la route sur les différents éléments du véhicule en particulier sur les pièces de la suspension en aluminium. Dans le cas réel, les sollicitations sont aléatoires et complexes, elles nécessitent des modélisations par des processus stochastiques, elles sont basées sur la densité spectrale de puissance (PSD). Il y a plusieurs normes pour caractériser le profil de la route, on note : ISO 8608, IRI (Indice de Rugosité International) et le SEI (Spektraler d'Ebenheits). Pour la réalisation de cette étude, un modèle analytique d'un quart de véhicule en trois dimensions a été développé. Ce modèle est utilisé pour la simulation des interactions route - véhicules. Dans la partie cinématique de ce projet, les vitesses et les accélérations des points situant dans la partie mobile de la suspension ont été déterminées en utilisant des méthodes vectorielles. Ces résultats nous permettent d'élargir le domaine de notre étude pour développer les équations du mouvement à partir de la seconde loi de Newton. Ces équations ont permis de calculer les forces appliquées sur les triangles inférieur et supérieur de la suspension. Les résultats obtenus sont utilisés dans le calcul de la réponse du véhicule à différents types d'excitation de route, ainsi que le calcul des fréquences naturelles du système. Dans l'avenir, cette étude, peut nous aider à mieux modéliser ce genre de problème complexe. Ceci nous permettra de répondre à quelques interrogations dans le domaine de la sécurité, la stabilité et la fiabilité des véhicules, en particulier de prévoir les zones à contraintes maximales afin de pouvoir augmenter la durée de vie des pièces fabriquées en aluminium.