Ce projet s'inscrit dans des études à approfondir la connaissance du givrage afin d'adapter les éoliennes pour opérer dans les conditions nordiques. L'objectif principal est de développer des techniques pour évaluer, à long terme, l'impact du givrage sur le fonctionnement d'un projet éolien et d'optimiser des techniques de dégivrage. Plusieurs études complexes doivent être effectuées avant de proposer un modèle précis capable de réaliser une simulation tridimensionnelle du givrage sur des pales des éoliennes en rotation. Pour atteindre les objectifs, nous avons utilisé des logiciels commerciaux de CFD et l'interface conviviale de MS-Excel pour valider un cas test des simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre. Ces méthodes sont destinées à être appliquées à la simulation en 3D de l'accumulation de glace sur les éoliennes, étant donné que l'étude du givrage du cylindre, pour lequel des résultats analytiques et expérimentaux nombreux sont disponibles pour validation, est fondamentale et pré-requis pour ce domaine de recherche. La capacité d'un objet à capturer des gouttelettes d'eau dans un écoulement est appelé l'efficacité de collection. Une évaluation de l'efficacité de collection sur un cylindre a été simulée en utilisant une approche Eulérienne basée sur les modèles de turbulence multiphasiques dans ANSYS-CFX. Les résultats ont été validés avec des résultats des approches Lagrangiennes et Eulériennes dans FLUENT ainsi qu'avec des résultats expérimentaux obtenus à partir d'études antérieurs. Les résultats ont démontré l'efficacité des modèles multiphasiques du logiciel CFX à simuler les fractions volumiques d'eau et à définir la zone de collection et les limites d'impact autour du cylindre. Pareillement, un logiciel pour calculer les trajectoires des gouttelettes d'eau dans un écoulement d'air interceptées par un cylindre a été réalisé sous Excel avec un code VBA (Visual Basic for Applications). Cette interface permet de démontrer les différents scénarios pouvant aider à valider les simulations avec CFX. Les deux simulations réalisées avec Excel et CFX ont démontré une cohérence entre le comportement des lignes de courant, des trajectoires et des forces agissant sur les gouttelettes. - This project has been conducted in the context of intensifying the knowledge of icing on wind turbines to be adapted in Nordic conditions. The main objective is to develop techniques to evaluate the long-term impact of icing on the performance of wind turbine projects and to optimize the de-icing techniques. Several upstream complex studies are to be conducted prior to propose a precise model capable of achieving a three-dimensional simulation of icing on wind turbine rotating blades. In order to overcome these difficulties, we made use of the high capacity of commercial CFD software, together with the friendly user interface of MS-Excel. The validation of these tools for the ice accretion past a cylinder is the prerequisite for applying these tools for the 3D simulation of icing over wind turbines, given that the study of cylinder icing is fundamental in several areas of icing research. The ability of an object to capture water droplets presented in an air flow is called collection efficiency. Evaluation of the collection efficiency over a cylinder has been simulated using Eulerian approach based on multi-phase turbulence models in CFX. The results have been validated with those of Lagrangian and Eulerian approaches in FLUENT as well as with experimental results obtained from previous studies. The results showed that the use of ANSYS-CFX multi-phase models was effective in simulating water volume fractions through the domain and in defining the collection zone and the impingement limits around the cylinder. In addition, a code to calculate the trajectories of supercooled water droplets in the air intercepted by a cylinder has been achieved using MS-Excel sheets supported with VBA (Visual Basic for Applications). This interface has been used to demonstrate different scenarios that can help to validate similar simulations using CFX. In both Excel and CFX simulations, the streamlines and trajectories have demonstrated similar behaviour which is consistent with the forces acting on water droplets.

On utilise des fluides dégivrants et antigivre sur les avions au sol, en attente du décollage, afin d'enlever la glace ou d'en prévenir la formation sur les ailes et le fuselage de l'avion. La contamination occasionnée par le fluide résiduel, encore en place au moment du décollage, diminue la portance et augmente la traînée de l'avion. Ce niveau de perturbation créé est évalué en laboratoire. Les méthodes d'essais, développées en soufflerie réfrigérée, consistent à soumettre une plaque plane et un modèle d'aile, couverts de fluide, à une accélération d'air comparable à l'accélération de l'avion au décollage. L'épaisseur de déplacement de la couche limite (EDCL) à 30 secondes est mesurée dans le premier cas et la perte de portance à un angle donné, dans le second. Or, une relation empirique entre les valeurs de l'EDCL à 30 sec. et celles de la perte de portance a été établie avec différents produits commerciaux. Cette relation, toutefois, ne tient pas compte de l'effet propre des différents facteurs, tels l'épaisseur initiale du fluide, la température et la viscosité, et qui sont susceptibles d'entrer en jeu. L'objectif de ce travail est de reprendre l'étude de cette relation, d'une façon systématique et pour des fluides dégivrants non commerciaux, afin de pouvoir mieux départager l'importance relative de chacun des facteurs mentionnés ci-dessus. Les études expérimentales ont été effectuées avec des dégivrants newtoniens non commerciaux, cela pour différentes épaisseurs initiales comprises entre 50 Um et 4 mm, et à des températures allant de 0°C à -20°C. Le montage utilisé est constitué d'une plaque plane de 1,5 m de long et d'un modèle à l'échelle réduite d'une section d'aile d'un Boeing 737-200ADV. Le décollage simulé correspond à un écoulement d'air accéléré à un taux de 2,6 m/s2. Les résultats de ce travail ont mis en évidence l'existence d'une épaisseur seuil, égale à l mm dans le cas de la plaque plane et à 0,5 mm dans le cas du modèle d'aile. En bas de ces valeurs, l'EDCL à 30 sec. et la perte de portance à CLmax sont fonction de la température, de la viscosité et de l'épaisseur initiale du fluide, tandis qu'en haut de ces valeurs, elles sont fonction de la température et de la viscosité seulement La perte de portance à CLmax et l'EDCL à 30 sec. présentent des corrélations linéaires avec la température, la viscosité ainsi qu'avec l'épaisseur dans le cas où celle-ci est inférieure aux valeurs seuil. À partir de ces corrélations, il est possible d'estimer avec une erreur de 25% au maximum, les valeurs de l'EDCL à 30 sec. et la perte de portance à CLmax, pour les fluides newtoniens, et cela peut s'avérer très utile pour les manufacturiers qui ont à concevoir de nouveaux produits. La comparaison des valeurs de l'EDCL et de la perte de portance met en évidence une proportionnalité raisonnable (coefficient de corrélation de 80% environ) entre ces deux paramètres. L'étude de chaque facteur montre que l'effet de la température est comparable dans le cas du modèle d'aile et de la plaque plane, tandis que l'effet de la viscosité est très amplifié dans ce dernier cas.

L'objectif général de cette recherche était de développer des modèles capables de simuler les processus de fonte de la neige accumulée sur des conducteurs aériens et de prévoir leur délestage, dans diverses conditions météorologiques et types de transmission de courant. Dans le but de valider ce nouveau modèle, un certain nombre de tests expérimentaux ont été réalisés aux laboratoires de la CIGELE, à l'aide d'une chambre climatique et de la soufflerie réfrigérée, qui ont ensuite été comparés avec ceux simulés numériquement. Premièrement, des simulations en deux dimensions Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) ont été effectuées avec FLUENT pour prédire le coefficient de distribution du transfert de chaleur local, le long de la surface du manchon avec flux transversal d'air, ainsi que le taux global de transfert de chaleur. Ces investigations permettent de connaître les caractéristiques de la convection forcée autour d'un manchon de neige, et également les effets dus à la rugosité de la surface de la neige et à la forme non-circulaire du manchon. Elles montrent aussi l'effet significatif de la rugosité de surface sur le taux de transfert de la chaleur. Deuxièmement, un modèle microstructural a été développé pour estimer la conductivité thermique équivalente de la neige sèche, qui établit la relation entre la conductivité thermique équivalente et la microstructure de la neige sèche dans divers régimes de température. Ces résultats ont été comparés avec ceux de recherches antérieures, montrant un bon accord. De plus, une série d'expériences a été réalisée dans les laboratoires de la CIGELE et leurs résultats ont été comparés avec ceux du modèle. Finalement, une relation entre le modèle de conductivité de la neige et la température a été proposée. Troisièmement, un modèle numérique 2-D en fonction du temps, de la percolation de l'eau dans un manchon de neige fondante a été établi sur la base de la méthode de Galerkin. L'influence de la vitesse du vent, de la température de l'air, de l'effet Joule, de la rugosité de la surface de la neige et de la dimension des grains de neige a été étudiée. Les résultats du modèle montrent que l'effet Joule et la rugosité de la surface de neige ont des effets notables sur la percolation de l'eau. Le temps requis pour parvenir à un état de quasiéquilibre est réduit de 50% ou plus, si le courant électrique ou la rugosité de surface excèdent certaines valeurs critiques. On a trouvé que les résultats du modèle concordaient bien avec ceux obtenus expérimentalement aux laboratoires de la CIGELE. Quatrièmement, la question de la détermination du déclenchement du délestage de la neige a été étudiée. Un tel modèle analytique est basé sur un modèle de défaillance de la neige sèche et sur des essais expérimentaux réalisés aux laboratoires de la CIGELE. Ce modèle prend en compte l'effet de l'écoulement de l'eau dans le manchon de neige. Les résultats montrent que le temps requis pour parvenir au délestage de la neige diminue de façon non linéaire alors que la teneur en eau initiale, la vitesse de l'air et l'intensité du courant électrique augmentent. Ce modèle peut fournir une estimation rapide de la chaleur de Joule ou du vent nécessaire pour déclencher le délestage de la neige sur un câble.

L'accumulation de neige et de givre sur les surfaces critiques des avions au sol ou en attente de décollage telles que les ailes, les gouvernes et les bords d'attaque altère leur surface, conduisant à des pertes de performances aérodynamiques lors du décollage qui, dans certains cas, se sont avérées néfastes. Pour éviter ce type d'accidents lors du décollage, des méthodes de dégivrage et de protection antigivre ont été développées. Les fluides antigivre et dégivrants appliqués sur les surfaces critiques des avions en attente de décollage sont parmi les méthodes les plus utilisées pour prévenir la formation de la neige ou encore pour la faire fondre. Les fluides qui sont à base de glycol sont caractérisés par leur temps de protection, communément appelé temps d'endurance, qui est mesuré à partir d'une évaluation effectuée en chambre climatique selon la norme ARP5485. Le temps d'endurance est déterminé en exposant une plaque, recouverte d'un fluide antigivre, à des précipitations de neige artificielle sous 0 °C. Le but de ce mémoire est de comprendre le comportement du fluide antigivre durant l'essai d'endurance à la neige, de déterminer les paramètres influençant l'échec du fluide, et d'élaborer un mécanisme expliquant l'échec du fluide. Le montage expérimental défini dans la norme a été modifié afin de simplifier les phénomènes enjeu. Le montage expérimental utilisé durant les essais qui ont été effectués dans la chambre climatique de 9 m du LIMA consiste à une plaque plane en aluminium de 50 cm de longueur par 30 cm de largeur et d'une boîte à neige en aluminium munie d'un cylindre en acétal avec des trous demi-sphériques permettant à la neige de tomber sous forme de groupes selon deux intensités de 10 et 25 g/dm2/h. La plaque est parallèle au sol et entourée de parois isolées permettant aux précipitations de neige de s'accumuler et d'empêcher l'écoulement du fluide. Un élément chauffant situé sous la plaque permet de maintenir sa température à la valeur déterminée par la norme et deux thermocouples positionnés à l'interface plaque/élément chauffant permettent de mesurer et contrôler sa température. Un autre thermocouple est ajouté afin de mesurer la température du fluide durant l'essai. La chambre climatique est contrôlée par un automate afin de maintenir sa température au niveau désiré qui est de -5 °C, -10 °C, -14 °C, -25 °C. Le montage est relié à un automate qui maintient la température de la plaque à la valeur désirée en gérant l'énergie fournie à la plaque. L'automate et le montage sont reliés à un ordinateur, dans lequel un programme informatique permet l'enregistrement des températures de l'air, de la plaque et du fluide, de l'intensité des précipitations et de la masse de neige précipitée durant l'essai ainsi que de la puissance consommée. Les essais ont été effectués avec un fluide générique à base de propylène glycol; durant chaque essai, une quantité de 400 ml de fluide est versée sur la plaque, ce qui forme une couche d'épaisseur de 2,7 mm. Les résultats ont montré que la température de l'air demeure constante avec de petites fluctuations régulières tout au long de l'essai pour toutes les conditions. Pour les essais effectués à une température supérieure à -25 °C, la température de la plaque débute à peu près à la valeur désirée et décroît rapidement à une valeur minimale. La diminution de température est compensée par une augmentation de puissance pour la ramener à la valeur désirée; par la suite, la puissance décroît vers une valeur nulle. Pour les essais réalisés à une température de -25 °C, la température de la plaque reste presque constante et aucune puissance n'est impliquée. La masse de neige qui induit l'échec ainsi que la puissance moyenne fournie à la plaque et le temps d'endurance du fluide diminuent exponentiellement avec la baisse de la température. La masse de neige est indépendante de la grosseur des trous et peu dépendante de l'intensité. Par contre, la puissance moyenne et le temps d'endurance sont indépendants de la grosseur des trous, mais ils sont dépendants de l'intensité de précipitation. Les observations visuelles effectuées durant les essais ont montré que seulement une fraction de la neige fond et se diffuse dans le fluide, l'autre fraction s'accumule dans le fluide. Les cristaux de glace qui s'accumulent dans le fluide forment aussi une 'slush' épaisse et uniforme à l'échec. En raison de la neige qui s'accumule dans le fluide, de nombreux sites de diffusion sont présents à l'intérieur de celui-ci, permettant de conclure que la diffusion de l'eau est homogène et s'effectue presque instantanément dans le fluide. L'absorption de l'eau et de la neige décroît la concentration en propylène glycol du fluide et cette concentration diminue avec l'augmentation de la température. Par contre, le fluide n'est en mesure d'absorber qu'une certaine quantité d'eau, car l'énergie consommée n'est qu'une fraction de l'énergie disponible et que cette quantité dépend de la température de l'air. Cette diminution de concentration accroît la température de solidification du fluide. Lorsque la température de solidification est calculée à partir de la concentration d'eau liquide et solide excluant le 30 % de neige accumulée à l'échec, celle-ci est égale à la température de l'air. Les résultats issus de ce travail ont permis d'élucider certains aspects liés aux essais d'endurance de neige. L'échec débute lorsque la température de solidification du fluide est égale à la température de l'air. À ce moment, le fluide n'est plus en mesure d'absorber de l'eau, la neige ne fond plus, mais s'accumule dans le fluide pour former une 'slush' qui s'épaissit avec le temps. Lorsque le fluide est saturé d'eau et de particules solides, la neige s'accumule sur la surface. Lorsque la surface est recouverte de 30 % de neige, l'échec est déclaré. Cependant, d'autres travaux sont requis afin de produire un modèle numérique pour prédire l'échec : (1) Réaliser les mêmes essais avec les fluides utiliser en industrie et comparer les résultats avec ceux du fluide générique. (2) réaliser des essais avec une plaque plane inclinée à 10°. Vérifier si les mêmes paramètres sont impliqués et vérifier l'effet de la viscosité du fluide.

The competitive industrial market demands manufacturing companies to provide the markets with a higher quality of production. The quality control department in industrial sectors verifies geometrical requirements of products with consistent tolerances. These requirements are presented in Geometric Dimensioning and Tolerancing (GD&T) standards. However, conventional measuring and dimensioning methods for manufactured parts are time-consuming and costly. Nowadays manual and tactile measuring methods have been replaced by Computer-Aided Inspection (CAI) methods. The CAI methods apply improvements in computational calculations and 3-D data acquisition devices (scanners) to compare the scan mesh of manufactured parts with the Computer-Aided Design (CAD) model. Metrology standards, such as ASME-Y14.5 and ISO-GPS, require implementing the inspection in free-state, wherein the part is only under its weight. Non-rigid parts are exempted from the free-state inspection rule because of their significant geometrical deviation in a free-state with respect to the tolerances. Despite the developments in CAI methods, inspection of non-rigid parts still remains a serious challenge. Conventional inspection methods apply complex fixtures for non-rigid parts to retrieve the functional shape of these parts on physical fixtures; however, the fabrication and setup of these fixtures are sophisticated and expensive. The cost of fixtures has doubled since the client and manufacturing sectors require repetitive and independent inspection fixtures. To eliminate the need for costly and time-consuming inspection fixtures, fixtureless inspection methods of non-rigid parts based on CAI methods have been developed. These methods aim at distinguishing flexible deformations of parts in a free-state from defects. Fixtureless inspection methods are required to be automatic, reliable, reasonably accurate and repeatable for non-rigid parts with complex shapes. The scan model, which is acquired as point clouds, represent the shape of a part in a free-state. Afterward, the inspection of defects is performed by comparing the scan and CAD models, but these models are presented in different coordinate systems. Indeed, the scan model is presented in the measurement coordinate system whereas the CAD model is introduced in the designed coordinate system. To accomplish the inspection and facilitate an accurate comparison between the models, the registration process is required to align the scan and CAD models in a common coordinate system. The registration includes a virtual compensation for the flexible deformation of the parts in a free-state. Then, the inspection is implemented as a geometrical comparison between the CAD and scan models. This thesis focuses on developing automatic and accurate fixtureless CAI methods for non-rigid parts along with assessing the robustness of the methods. To this end, an automatic fixtureless CAI method for non-rigid parts based on filtering registration points is developed to identify and quantify defects more accurately on the surface of scan models. The flexible deformation of parts in a free-state in our developed automatic fixtureless CAI method is compensated by applying FE non-rigid Registration (FENR) to deform the CAD model towards the scan mesh. The displacement boundary conditions (BCs) for FENR are determined based on the corresponding sample points, which are generated by the Generalized Numerical Inspection Fixture (GNIF) method on the CAD and scan models. These corresponding sample points are evenly distributed on the surface of the models. The comparison between this deformed CAD model and the scan mesh intend to evaluate and quantify the defects on the scan model. However, some sample points can be located close or on defect areas which result in an inaccurate estimation of defects. These sample points are automatically filtered out in our CAI method based on curvature and von Mises stress criteria. Once filtered out, the remaining sample points are used in a new FENR, which allows an accurate evaluation of defects with respect to the tolerances. The performance and robustness of all CAI methods are generally required to be assessed with respect to the actual measurements. This thesis also introduces a new validation metric for Verification and Validation (V&V) of CAI methods based on ASME recommendations. The developed V&V approach uses a nonparametric statistical hypothesis test, namely the Kolmogorov–Smirnov (K-S) test. In addition to validating the defects size, the K-S test allows a deeper evaluation based on distance distribution of defects. The robustness of CAI method with respect to uncertainties such as scanning noise is quantitatively assessed using the developed validation metric. Due to the compliance of non-rigid parts, a geometrically deviated part can still be assembled in the assembly-state. This thesis also presents a fixtureless CAI method for geometrically deviated (presenting defects) non-rigid parts to evaluate the feasibility of mounting these parts in the functional assembly-state. Our developed Virtual Mounting Assembly-State Inspection (VMASI) method performs a non-rigid registration to virtually mount the scan mesh in assembly-state. To this end, the point clouds of scan model representing the part in a free-state is deformed to meet the assembly constraints such as fixation position (e.g. mounting holes). In some cases, the functional shape of a deviated part can be retrieved by applying assembly loads, which are limited to permissible loads, on the surface of the part. The required assembly loads are estimated through our developed Restraining Pressures Optimization (RPO) aiming at displacing the deviated scan model to achieve the tolerance for mounting holes. Therefore, the deviated scan model can be assembled if the mounting holes on the predicted functional shape of scan model attain the tolerance range. Different industrial parts are used to evaluate the performance of our developed methods in this thesis. The automatic inspection for identifying different types of small (local) and big (global) defects on the parts results in an accurate evaluation of defects. The robustness of this inspection method is also validated with respect to different levels of scanning noise, which shows promising results. Meanwhile, the VMASI method is performed on various parts with different types of defects, which concludes that in some cases the functional shape of deviated parts can be retrieved by mounting them on a virtual fixture in assembly-state under restraining loads. Le marché industriel compétitif exige une production de haute qualité de la part des compagnies de fabrication. Le département de contrôle qualité dans les secteurs industriels vérifie les exigences géométriques des produits en se référant aux tolérances. Ces exigences sont présentées dans les normes de Dimensionnement Géométrique Et Tolérances (DG&T). Toutefois, les méthodes conventionnelles de mesure et de dimensionnement sont couteuses et longues. De nos jours, les méthodes de mesure manuelles sont remplacées par les méthodes automatisées dites Inspection Assistée par Ordinateur (IAO). Les méthodes IAO appliquent les améliorations dans le calcul informatique et les dispositifs d’acquisition de données 3-D afin de comparer le maillage du modèle scanné de la pièce fabriquée avec le modèle conçu par ordinateur utilisant la Conception Assistée par Ordinateur (CAO). Les normes de métrologie, telles que ASME-Y14.5 et ISO-GPS, exigent la mise en oeuvre de l'inspection à l'état libre dans lequel la pièce est soumise uniquement à la gravité. Les pièces souples (non rigide) sont exemptées de la règle d'inspection à l'état libre en raison de l'écart géométrique significatif de ces dernières au dit-état tenant compte des tolérances. En dépit du développement des méthodes IAO, l’inspection des pièces souples demeure un sérieux défi. Les méthodes d'inspection conventionnelles appliquent des gabarits complexes pour récupérer la forme fonctionnelle des pièces souples. Cependant, la fabrication et la configuration de ces gabarits de conformité sont compliquées et chères. Depuis que les clients et les industriels exigent des gabarits d’inspection répétitifs et indépendants, le prix de ces derniers a doublé. Les méthodes d'inspection sans gabarit des pièces souples basées sur les méthodes IAO ont été développées afin d'éliminer l’utilisation couteuse des gabarits de conformité. Ces procédés visent à distinguer les déformations flexibles des pièces à l'état libre des défauts. Les méthodes d'inspection sans gabarits doivent être automatiques, fiables, précises et reproductibles pour les pièces souples aux formes sophistiquées. Le modèle scanné, qui est obtenu sous forme de nuages de points, représente la forme d'une pièce à l'état libre. Ensuite, l'inspection des défauts est réalisée en comparant les modèles scannés et CAO, mais ces modèles sont présentés dans des systèmes de coordonnées indépendants. En effet, le modèle scanné est présenté dans le système de coordonnées du système de mesure (système de numérisation) tandis que le modèle de CAO est dans le système de coordonnées de conception. Pour effectuer l'inspection et faciliter une comparaison précise entre les modèles, le processus de recalage est nécessaire afin d’aligner et ramener plus près les modèles scanné et CAO dans un système commun de coordonnées. Le recalage inclut une compensation virtuelle de la déformation flexible des pièces à l'état libre. Après, l’inspection est assurée par une comparaison géométrique entre les modèles CAO et les pièces souples scannées. La présente thèse porte sur l’élaboration de méthodes automatiques d'inspection assistée par ordinateur sans gabarit. Ceci constitue une amélioration de la méthode d'inspection numérique généralisée (Generalized Numerical Inspection Fixture (GNIF)). Cette thèse présente également la vérification de la robustesse de notre nouvelle méthode. À cet effet, une méthode IAO automatique et sans gabarit pour des pièces souples basée sur des points de correspondance a été développée afin d’identifier et de quantifier plus précisément les défauts sur la surface des modèles scannés. La déformation flexible des pièces à l'état libre dans notre méthode est compensée en appliquant le recalage basé sur la méthode d’éléments finis, Recalage Non rigide par Élément Finis (RNÉF), pour déformer le modèle CAO vers le maillage du modèle scanné. Des points d'échantillonnage correspondants générés entre les modèles CAO et scanné d'une pièce sont utilisés afin de calculer le champ de déplacement qui sert de conditions aux limites dans RNÉF. Ces points d'échantillonnage correspondants, qui sont générés par la méthode GNIF, sont répartis uniformément sur la surface des modèles. La comparaison entre ce modèle CAO déformé et le maillage du modèle scanné vise à évaluer et à quantifier les défauts sur le modèle scanné. Cependant, certains points d'échantillonnage peuvent être situés à proximité ou sur des zones défectueuses, ce qui entraîne une estimation inexacte des défauts. Ces points d'échantillonnage sont automatiquement filtrés dans cette méthode IAO basée sur le calcul d’estimation de courbure et les contraintes de von Mises. Une fois filtrés, les points d'échantillonnage restants sont utilisés dans un nouveau RNÉF, ce qui permet une évaluation précise des défauts par rapport aux tolérances. Toutes les méthodes d’IAO nécessitent une évaluation de la performance et de la robustesse de la méthode par rapport aux mesures actuelles. Cette thèse introduit également une nouvelle métrique de validation pour la vérification et la validation (V&V) des méthodes IAO basée sur les recommandations ASME. L'approche V&V développée utilise un test d'hypothèse statistique non paramétrique, à savoir le test de Kolmogorov-Smirnov (K-S). En plus de valider la taille des défauts, le test K-S permet une évaluation plus approfondie basée sur la répartition de la distance entre le modèle scanné et le modèle CAO pour chaque défaut. La robustesse de notre méthode IAO par rapport aux incertitudes telles que les bruits de scan est évaluée quantitativement en utilisant la métrique de validation développée. En raison de la conformité des pièces souples, une pièce ayant des défauts peut encore être assemblée à l'état d'assemblage. Cette thèse présente également une méthode originale d’IAO sans gabarit pour des pièces souples comportant des défauts afin d’évaluer la faisabilité de l'assemblage de ces pièces à l'état d'assemblage fonctionnel. Notre méthode d'inspection virtuelle de montage à l'état d'assemblage, Virtual Mounting Assembly-State Inspection (VMASI), effectue un recalage non rigide pour monter virtuellement le maillage du modèle scanné à l'état d'assemblage. À cet effet, les nuages de points du modèle scanné représentant la pièce à l'état libre sont déformés pour répondre aux contraintes d'assemblage telles que la position de fixation (par exemple des trous de montage). Pour atteindre les exigences fonctionnelles sur des pièces souples comportant des défauts, l'application de charges d'assemblage est autorisée à la surface du modèle scanné. Ces charges d'assemblage sont limitées aux charges admissibles. Les charges d'assemblage requises sont estimées grâce à une nouvelle méthode d’optimisation de calcul des pressions de montage (pour mise en forme de la pièce sur le gabarit virtuel), Restraining Pressures Optimization (RPO), visant à déplacer le modèle scanné afin d'atteindre la tolérance pour les trous de montage. Par conséquent, le modèle scanné ayant des défauts peut être mis en forme sur le gabarit virtuel si les trous de montage sur la forme fonctionnelle prédite du modèle scanné atteignent la plage de tolérance. Différentes pièces de l'industrie aérospatiale sont utilisées pour évaluer la performance de nos méthodes développées dans cette thèse. L'inspection automatique pour identifier les différents types de défauts au niveau local et général sur les pièces conduit à une évaluation précise des défauts. La robustesse de la méthode d'inspection est également testée avec différents niveaux de bruits de numérisation, ce qui présente des résultats prometteurs. La méthode VMASI est validée par différents types de pièces déformables (flexible) en aérospatiale. Nous concluons que certaines pièces comportant des défauts peuvent être mise en forme à l’état d'assemblage lorsqu’elles sont soumises à des charges admissibles.

L'accumulation de neige et de givre sur les surfaces critiques des avions au sol ou en attente de décollage telles que les ailes, les gouvernes et les bords d'attaque altère leur surface, conduisant à des pertes de performances aérodynamiques lors du décollage qui, dans certains cas, se sont avérées néfastes. Pour éviter ce type d'accidents lors du décollage, des méthodes de dégivrage et de protection antigivre ont été développées. Les fluides antigivre et dégivrants appliqués sur les surfaces critiques des avions en attente de décollage sont parmi les méthodes les plus utilisées pour prévenir la formation de la neige ou encore pour la faire fondre. Les fluides qui sont à base de glycol sont caractérisés par leur temps de protection, communément appelé temps d'endurance, qui est mesuré à partir d'une évaluation effectuée en chambre climatique selon la norme ARP5485. Le temps d'endurance est déterminé en exposant une plaque, recouverte d'un fluide antigivre, à des précipitations de neige artificielle sous 0 °C. Le but de ce mémoire est de comprendre le comportement du fluide antigivre durant l'essai d'endurance à la neige, de déterminer les paramètres influençant l'échec du fluide, et d'élaborer un mécanisme expliquant l'échec du fluide. Le montage expérimental défini dans la norme a été modifié afin de simplifier les phénomènes enjeu. Le montage expérimental utilisé durant les essais qui ont été effectués dans la chambre climatique de 9 m du LIMA consiste à une plaque plane en aluminium de 50 cm de longueur par 30 cm de largeur et d'une boîte à neige en aluminium munie d'un cylindre en acétal avec des trous demi-sphériques permettant à la neige de tomber sous forme de groupes selon deux intensités de 10 et 25 g/dm2/h. La plaque est parallèle au sol et entourée de parois isolées permettant aux précipitations de neige de s'accumuler et d'empêcher l'écoulement du fluide. Un élément chauffant situé sous la plaque permet de maintenir sa température à la valeur déterminée par la norme et deux thermocouples positionnés à l'interface plaque/élément chauffant permettent de mesurer et contrôler sa température. Un autre thermocouple est ajouté afin de mesurer la température du fluide durant l'essai. La chambre climatique est contrôlée par un automate afin de maintenir sa température au niveau désiré qui est de -5 °C, -10 °C, -14 °C, -25 °C. Le montage est relié à un automate qui maintient la température de la plaque à la valeur désirée en gérant l'énergie fournie à la plaque. L'automate et le montage sont reliés à un ordinateur, dans lequel un programme informatique permet l'enregistrement des températures de l'air, de la plaque et du fluide, de l'intensité des précipitations et de la masse de neige précipitée durant l'essai ainsi que de la puissance consommée. Les essais ont été effectués avec un fluide générique à base de propylène glycol; durant chaque essai, une quantité de 400 ml de fluide est versée sur la plaque, ce qui forme une couche d'épaisseur de 2,7 mm. Les résultats ont montré que la température de l'air demeure constante avec de petites fluctuations régulières tout au long de l'essai pour toutes les conditions. Pour les essais effectués à une température supérieure à -25 °C, la température de la plaque débute à peu près à la valeur désirée et décroît rapidement à une valeur minimale. La diminution de température est compensée par une augmentation de puissance pour la ramener à la valeur désirée; par la suite, la puissance décroît vers une valeur nulle. Pour les essais réalisés à une température de -25 °C, la température de la plaque reste presque constante et aucune puissance n'est impliquée. La masse de neige qui induit l'échec ainsi que la puissance moyenne fournie à la plaque et le temps d'endurance du fluide diminuent exponentiellement avec la baisse de la température. La masse de neige est indépendante de la grosseur des trous et peu dépendante de l'intensité. Par contre, la puissance moyenne et le temps d'endurance sont indépendants de la grosseur des trous, mais ils sont dépendants de l'intensité de précipitation. Les observations visuelles effectuées durant les essais ont montré que seulement une fraction de la neige fond et se diffuse dans le fluide, l'autre fraction s'accumule dans le fluide. Les cristaux de glace qui s'accumulent dans le fluide forment aussi une 'slush' épaisse et uniforme à l'échec. En raison de la neige qui s'accumule dans le fluide, de nombreux sites de diffusion sont présents à l'intérieur de celui-ci, permettant de conclure que la diffusion de l'eau est homogène et s'effectue presque instantanément dans le fluide. L'absorption de l'eau et de la neige décroît la concentration en propylène glycol du fluide et cette concentration diminue avec l'augmentation de la température. Par contre, le fluide n'est en mesure d'absorber qu'une certaine quantité d'eau, car l'énergie consommée n'est qu'une fraction de l'énergie disponible et que cette quantité dépend de la température de l'air. Cette diminution de concentration accroît la température de solidification du fluide. Lorsque la température de solidification est calculée à partir de la concentration d'eau liquide et solide excluant le 30 % de neige accumulée à l'échec, celle-ci est égale à la température de l'air. Les résultats issus de ce travail ont permis d'élucider certains aspects liés aux essais d'endurance de neige. L'échec débute lorsque la température de solidification du fluide est égale à la température de l'air. À ce moment, le fluide n'est plus en mesure d'absorber de l'eau, la neige ne fond plus, mais s'accumule dans le fluide pour former une 'slush' qui s'épaissit avec le temps. Lorsque le fluide est saturé d'eau et de particules solides, la neige s'accumule sur la surface. Lorsque la surface est recouverte de 30 % de neige, l'échec est déclaré. Cependant, d'autres travaux sont requis afin de produire un modèle numérique pour prédire l'échec : (1) Réaliser les mêmes essais avec les fluides utiliser en industrie et comparer les résultats avec ceux du fluide générique. (2) réaliser des essais avec une plaque plane inclinée à 10°. Vérifier si les mêmes paramètres sont impliqués et vérifier l'effet de la viscosité du fluide.

Ce projet s'inscrit dans des études à approfondir la connaissance du givrage afin d'adapter les éoliennes pour opérer dans les conditions nordiques. L'objectif principal est de développer des techniques pour évaluer, à long terme, l'impact du givrage sur le fonctionnement d'un projet éolien et d'optimiser des techniques de dégivrage. Plusieurs études complexes doivent être effectuées avant de proposer un modèle précis capable de réaliser une simulation tridimensionnelle du givrage sur des pales des éoliennes en rotation. Pour atteindre les objectifs, nous avons utilisé des logiciels commerciaux de CFD et l'interface conviviale de MS-Excel pour valider un cas test des simulations de l'accumulation de glace sur un cylindre. Ces méthodes sont destinées à être appliquées à la simulation en 3D de l'accumulation de glace sur les éoliennes, étant donné que l'étude du givrage du cylindre, pour lequel des résultats analytiques et expérimentaux nombreux sont disponibles pour validation, est fondamentale et pré-requis pour ce domaine de recherche. La capacité d'un objet à capturer des gouttelettes d'eau dans un écoulement est appelé l'efficacité de collection. Une évaluation de l'efficacité de collection sur un cylindre a été simulée en utilisant une approche Eulérienne basée sur les modèles de turbulence multiphasiques dans ANSYS-CFX. Les résultats ont été validés avec des résultats des approches Lagrangiennes et Eulériennes dans FLUENT ainsi qu'avec des résultats expérimentaux obtenus à partir d'études antérieurs. Les résultats ont démontré l'efficacité des modèles multiphasiques du logiciel CFX à simuler les fractions volumiques d'eau et à définir la zone de collection et les limites d'impact autour du cylindre. Pareillement, un logiciel pour calculer les trajectoires des gouttelettes d'eau dans un écoulement d'air interceptées par un cylindre a été réalisé sous Excel avec un code VBA (Visual Basic for Applications). Cette interface permet de démontrer les différents scénarios pouvant aider à valider les simulations avec CFX. Les deux simulations réalisées avec Excel et CFX ont démontré une cohérence entre le comportement des lignes de courant, des trajectoires et des forces agissant sur les gouttelettes. - This project has been conducted in the context of intensifying the knowledge of icing on wind turbines to be adapted in Nordic conditions. The main objective is to develop techniques to evaluate the long-term impact of icing on the performance of wind turbine projects and to optimize the de-icing techniques. Several upstream complex studies are to be conducted prior to propose a precise model capable of achieving a three-dimensional simulation of icing on wind turbine rotating blades. In order to overcome these difficulties, we made use of the high capacity of commercial CFD software, together with the friendly user interface of MS-Excel. The validation of these tools for the ice accretion past a cylinder is the prerequisite for applying these tools for the 3D simulation of icing over wind turbines, given that the study of cylinder icing is fundamental in several areas of icing research. The ability of an object to capture water droplets presented in an air flow is called collection efficiency. Evaluation of the collection efficiency over a cylinder has been simulated using Eulerian approach based on multi-phase turbulence models in CFX. The results have been validated with those of Lagrangian and Eulerian approaches in FLUENT as well as with experimental results obtained from previous studies. The results showed that the use of ANSYS-CFX multi-phase models was effective in simulating water volume fractions through the domain and in defining the collection zone and the impingement limits around the cylinder. In addition, a code to calculate the trajectories of supercooled water droplets in the air intercepted by a cylinder has been achieved using MS-Excel sheets supported with VBA (Visual Basic for Applications). This interface has been used to demonstrate different scenarios that can help to validate similar simulations using CFX. In both Excel and CFX simulations, the streamlines and trajectories have demonstrated similar behaviour which is consistent with the forces acting on water droplets.

L'objectif général de cette recherche était de développer des modèles capables de simuler les processus de fonte de la neige accumulée sur des conducteurs aériens et de prévoir leur délestage, dans diverses conditions météorologiques et types de transmission de courant. Dans le but de valider ce nouveau modèle, un certain nombre de tests expérimentaux ont été réalisés aux laboratoires de la CIGELE, à l'aide d'une chambre climatique et de la soufflerie réfrigérée, qui ont ensuite été comparés avec ceux simulés numériquement. Premièrement, des simulations en deux dimensions Reynolds Average Navier-Stokes (RANS) ont été effectuées avec FLUENT pour prédire le coefficient de distribution du transfert de chaleur local, le long de la surface du manchon avec flux transversal d'air, ainsi que le taux global de transfert de chaleur. Ces investigations permettent de connaître les caractéristiques de la convection forcée autour d'un manchon de neige, et également les effets dus à la rugosité de la surface de la neige et à la forme non-circulaire du manchon. Elles montrent aussi l'effet significatif de la rugosité de surface sur le taux de transfert de la chaleur. Deuxièmement, un modèle microstructural a été développé pour estimer la conductivité thermique équivalente de la neige sèche, qui établit la relation entre la conductivité thermique équivalente et la microstructure de la neige sèche dans divers régimes de température. Ces résultats ont été comparés avec ceux de recherches antérieures, montrant un bon accord. De plus, une série d'expériences a été réalisée dans les laboratoires de la CIGELE et leurs résultats ont été comparés avec ceux du modèle. Finalement, une relation entre le modèle de conductivité de la neige et la température a été proposée. Troisièmement, un modèle numérique 2-D en fonction du temps, de la percolation de l'eau dans un manchon de neige fondante a été établi sur la base de la méthode de Galerkin. L'influence de la vitesse du vent, de la température de l'air, de l'effet Joule, de la rugosité de la surface de la neige et de la dimension des grains de neige a été étudiée. Les résultats du modèle montrent que l'effet Joule et la rugosité de la surface de neige ont des effets notables sur la percolation de l'eau. Le temps requis pour parvenir à un état de quasiéquilibre est réduit de 50% ou plus, si le courant électrique ou la rugosité de surface excèdent certaines valeurs critiques. On a trouvé que les résultats du modèle concordaient bien avec ceux obtenus expérimentalement aux laboratoires de la CIGELE. Quatrièmement, la question de la détermination du déclenchement du délestage de la neige a été étudiée. Un tel modèle analytique est basé sur un modèle de défaillance de la neige sèche et sur des essais expérimentaux réalisés aux laboratoires de la CIGELE. Ce modèle prend en compte l'effet de l'écoulement de l'eau dans le manchon de neige. Les résultats montrent que le temps requis pour parvenir au délestage de la neige diminue de façon non linéaire alors que la teneur en eau initiale, la vitesse de l'air et l'intensité du courant électrique augmentent. Ce modèle peut fournir une estimation rapide de la chaleur de Joule ou du vent nécessaire pour déclencher le délestage de la neige sur un câble.

On utilise des fluides dégivrants et antigivre sur les avions au sol, en attente du décollage, afin d'enlever la glace ou d'en prévenir la formation sur les ailes et le fuselage de l'avion. La contamination occasionnée par le fluide résiduel, encore en place au moment du décollage, diminue la portance et augmente la traînée de l'avion. Ce niveau de perturbation créé est évalué en laboratoire. Les méthodes d'essais, développées en soufflerie réfrigérée, consistent à soumettre une plaque plane et un modèle d'aile, couverts de fluide, à une accélération d'air comparable à l'accélération de l'avion au décollage. L'épaisseur de déplacement de la couche limite (EDCL) à 30 secondes est mesurée dans le premier cas et la perte de portance à un angle donné, dans le second. Or, une relation empirique entre les valeurs de l'EDCL à 30 sec. et celles de la perte de portance a été établie avec différents produits commerciaux. Cette relation, toutefois, ne tient pas compte de l'effet propre des différents facteurs, tels l'épaisseur initiale du fluide, la température et la viscosité, et qui sont susceptibles d'entrer en jeu. L'objectif de ce travail est de reprendre l'étude de cette relation, d'une façon systématique et pour des fluides dégivrants non commerciaux, afin de pouvoir mieux départager l'importance relative de chacun des facteurs mentionnés ci-dessus. Les études expérimentales ont été effectuées avec des dégivrants newtoniens non commerciaux, cela pour différentes épaisseurs initiales comprises entre 50 Um et 4 mm, et à des températures allant de 0°C à -20°C. Le montage utilisé est constitué d'une plaque plane de 1,5 m de long et d'un modèle à l'échelle réduite d'une section d'aile d'un Boeing 737-200ADV. Le décollage simulé correspond à un écoulement d'air accéléré à un taux de 2,6 m/s2. Les résultats de ce travail ont mis en évidence l'existence d'une épaisseur seuil, égale à l mm dans le cas de la plaque plane et à 0,5 mm dans le cas du modèle d'aile. En bas de ces valeurs, l'EDCL à 30 sec. et la perte de portance à CLmax sont fonction de la température, de la viscosité et de l'épaisseur initiale du fluide, tandis qu'en haut de ces valeurs, elles sont fonction de la température et de la viscosité seulement La perte de portance à CLmax et l'EDCL à 30 sec. présentent des corrélations linéaires avec la température, la viscosité ainsi qu'avec l'épaisseur dans le cas où celle-ci est inférieure aux valeurs seuil. À partir de ces corrélations, il est possible d'estimer avec une erreur de 25% au maximum, les valeurs de l'EDCL à 30 sec. et la perte de portance à CLmax, pour les fluides newtoniens, et cela peut s'avérer très utile pour les manufacturiers qui ont à concevoir de nouveaux produits. La comparaison des valeurs de l'EDCL et de la perte de portance met en évidence une proportionnalité raisonnable (coefficient de corrélation de 80% environ) entre ces deux paramètres. L'étude de chaque facteur montre que l'effet de la température est comparable dans le cas du modèle d'aile et de la plaque plane, tandis que l'effet de la viscosité est très amplifié dans ce dernier cas.

Dans ce mémoire nous étudions le processus d'intégration d'éoliennes à des réseaux électriques isolés utilisant des génératrices diesel en conditions de climat froid, en se basant sur le cas de la base scientifique antarctique argentine Jubany. Le but du mémoire est de développer une procédure de conception selon les méthodologies, recommandations et expériences actuelles des organismes de normalisation et de l'industrie, pour implanter un système hybride éolien-diesel opérant dans le climat froid de Jubany dans des conditions optimales d'efficacité et durabilité. La conception du système est faite jusqu'à un niveau architectural afin d'illustrer la disposition et les spécifications techniques générales des principaux équipements. La méthode suivie est d'utiliser la série des spécifications techniques TS 62257 de PIEC (la Commission électrotechnique internationale), ensemble de documents pour concevoir et implanter des systèmes hybrides, comme une procédure de conception de base, d'ajouter à cette procédure la prise en compte des effets du froid sur le système, tels que décrits dans les documents sur l'exploitation de l'énergie éolienne en climats froids de PIEA (l'Agence internationale d'énergie). Cette méthodologie est enrichie par l'analyse d'autres installations hybrides éolien-diesel en climat arctique/antarctique utilisées comme sources d'énergie. Les architectures proposées sont modélisées dans le logiciel Homer afin d'évaluer la production d'énergie et la diminution possible de consommation de carburant. Nous concluons que la série de normes TS 62257 est une procédure adéquate pour évaluer les conditions d'implantation du projet et réaliser de façon normalisée les premières étapes de conception, toujours en considérant les effets du froid sur le système. Pour le cas de Jubany, nous avons évalué l'état actuel des conditions climatiques (vitesses de vent, températures) et le système électrique en activité pour proposer des recommandations pour l'installation du système hybride éolien-diesel. - The present work studies the process of coupling wind turbines with local isolated diesel generator to provide electricity to remote power grids in a cold climate. Different scenarios of wind penetration are evaluated and the methodology is applied to a specific site, the scientific Antarctic Argentinean base "Jubany". The goal of the thesis is to develop a design procedure in agreement to the most recent methodologies, recommendations and experiences of the standardization organisations and of the industry to successfully implement an effective and sustainable wind-diesel hybrid system operating in the cold climate at Jubany. The system design is made up to an architectural level, showing the layout and general technical specifications of the major equipments. The method follows the technical specifications TS 62257 of the IEC, the International Electrotechnical Commission, which is a set of recommendations to design and implement hybrid systems. This norm has been used as a basic design procedure, to which have been added specific aspects of the cold climate effects, as described in documents of the IEA, the International Energy Agency. Other examples of hybrid winddiesel facilities in Arctic/Antarctic climate, either operational or proposed, have been analyzed as a source of technological ideas to make design proposals for the hybrid system at Jubany. The proposed architectures are simulated with Homer software to assess their energy production, cost of energy and fuel savings. It is concluded that the norm TS 62257 is a good basic procedure to organise and evaluate the input information and complete the first steps of design in a standardized way, even considering the effects of the cold climate on the system. For the Jubany case, conclusions are presented regarding the current state of information of the climate (wind, cold) and of the electrical system in operation and recommendations are made to prepare the installation of the hybrid wind-diesel system.