Les brûleurs au gaz sont fréquemment utilisés comme source de chaleur dans la métallurgie. Dans un four, le transfert de chaleur entre la flamme et la charge dépend du type de brûleur, de son ajustement et ainsi que de sa position et son orientation par rapport à la charge. La terminologie en cours d'utilisation pour classifier des brûleurs industriels est souvent reliée à certaines caractéristiques perceptibles des flammes produites par des brûleurs. Une étude expérimentale a été réalisée afin de clarifier les effets du brûleur, du type de flammes et de la géométrie relative de la flamme et de la charge sur le mécanisme de transfert de chaleur vers la charge. Dans la présente étude, des flammes courte, longue, à basse et à hautes vitesses ont été comparées expérimentalement avec le type de flamme, soi-disant, « enveloppe ». La luminosité des flammes a varié lors des différents ajustements. Un des deux brûleurs utilisés dans cette étude était un brûleur traditionnel (conventionnel), tandis que l'autre était un brûleur à faible production de NOX. Trois différentes configurations de la flamme par rapport à la charge ont été analysées et comparées entre elles, plus particulièrement lorsque la flamme était parallèle par rapport à la surface horizontale, ou lorsque la flamme était inclinée vers la surface horizontale à la base du four, et finalement lorsque la flamme était dirigée directement sur la charge représentée par l'arête d'une marche chanfreinée. L'étude a été complétée par l'analyse de la distribution des vitesses et des températures de la phase gazeuse contournant l'objet. L'analyse présentée dans cette étude fournit des connaissances et des outils en vue d'une meilleure sélection de brûleurs pour différents travaux de chauffage industriels.

L'objectif de cette thèse de doctorat est de développer un nouveau schéma numérique de résolution des équations 3D de Navier-Stokes. Les écoulements considérés sont incompressibles et les propriétés physiques telle la viscosité peuvent être variables. De plus, des quantités scalaires telle l'enthalpie ou une fraction volumique peuvent être transportées par l'écoulement. Ce schéma est basé sur une discrétisation spatiale de type volumes finis classique (une seule inconnue par volume de contrôle) qui permet l'utilisation de maillages non structurés. Les équations du modèle mathématique sont découplées et une méthode de projection de type pas de temps fractionnaire est utilisée pour calculer un champ de vitesse satisfaisant l'équation de conservation de la masse. La pression et la vélocité sont couplées à l'aide d'une ré-interpolation de la vélocité sur les faces des volumes de contrôle, l'utilisation d'un maillage décalé ("staggered grid") n'est donc pas nécessaire. On présente une revue détaillée du modèle mathématique décrivant les écoulements thermiques et le modèle de turbulence k ? e de Launder et Spalding. De plus, on fait un rappel de quelques algorithmes de résolution numérique des systèmes d'équations linéaires et des concepts fondamentaux qui leur sont associés. On discute d'une librairie d'objets et de programmes utilitaires qui ont été développés pour encourager l'utilisation et le développement du schéma par d'autres chercheurs. Des résultats numériques obtenus avec le schéma sont présentés : écoulement entre deux plans parallèles, écoulement engendré par le déplacement d'une paroi, écoulement de Boussinesq dans une cavité carrée, écoulement turbulent au-dessus d'une marche, écoulements autour d'un disque et d'un cylindre et écoulement thermique dans une conduite cylindrique.

Les cuves d'électrolyse de l'aluminium sont construites de manière à ce qu'une couche protectrice de bain électrolytique se solidifie sur les parois : la « gelée ». L'épaisseur et la forme du profil de gelée sont des paramètres importants lors de l'opération de la cuve d'électrolyse, et des efforts sont faits pour contrôler cette couche. Dans le cadre de la recherche, un capteur pouvant s'installer à l'intérieur du mur latéral de la cuve d'électrolyse a été développé. Le potentiel et les limitations de ce capteur thermique, pour l'évaluation de l'épaisseur et de la forme de la couche de gelée, furent évalués. Le capteur est composé de thermocouples qui mesurent des températures dans la paroi. Un programme solutionnant le problème inverse en conduction thermique interprète ces températures. Un bloc d'anthracite, utilisé dans la construction des parois des cuves, a été instrumenté avec le capteur. Une couche de sable représentait la gelée. Différentes épaisseurs et formes de sable ont été étendues sur le bloc. Ces expériences ont montré que le capteur détermine correctement l'épaisseur moyenne de la couche de sable. Lorsqu'il y a une variation de la forme, la capacité du capteur à identifier l'interface dépend de la sensibilité des mesures. Le nombre optimal de mesures, les paramètres d'identification et l'influence des conductivités thermiques des matériaux ont été analysés. Finalement, des matériaux pouvant être utilisés pour la protection des thermocouples, lors d'une éventuelle installation dans la paroi de la cuve d'électrolyse, sont présentés.

Ce mémoire de maîtrise présente un modèle en 2-D qui permet de prédire le profile et le poids de l'accumulation de glace sur un conducteur cylindrique, par la méthode du «cheminant aléatoire», et non pas par l'approche continue classique qui est basée sur la résolution des équations de conservation. Dans cette approche, les gouttelettes sont considérées comme ayant un mouvement aléatoire le long du conducteur ou à la surface de la glace accumulée. Les paramètres du modèle utilisé («cheminant aléatoire»), incluant la probabilité du gel de l'eau, du délestage et du mouvement de celle-ci, sont exprimés en fonction des conditions météorologiques et environnementales. Quelques nouveaux paramètres, notamment les pertes Joule causées par le passage du courant électrique et la direction de la collusion des gouttes d'eau sur le cylindre, sont considérés pour la première fois dans cette approche.

De façon à assurer des décollages sécuritaires dans les aéroports nordiques, on dégivre et on prévient la formation de glace sur les avions en attente de décollage par l'application de produits dégivrants et antigivre. Même si ces produits s'éliminent en majeure partie pendant la période d'accélération précédant l'envol, le film résiduel encore en place sur l'aile au moment du décollage contribue à réduire la portance de l'avion et en augmenter la traînée, plus particulièrement lorsqu'il décolle lors de tempêtes de neige et de verglas. Le présent mémoire présente les résultats d'une étude expérimentale visant à faire ressortir les effets perturbateurs aérodynamiques déterminés à partir de l'épaisseur de la couche limite (ECDL) au-dessus du fluide résiduel lorsque ce dernier est contaminé par deux types de précipitations, soit la bruine verglaçante et la neige. À cette fin, on a comparé lors d'un décollage simulé les caractéristiques d'élimination d'une couche de fluide de 1,5 mm d'épaisseur dans trois conditions de contamination - prédilution, bruine verglaçante et neige. Les essais aérodynamiques ont été effectués avec quatre produits commerciaux certifiés, deux dégivrants de type I offrant une protection limitée à quelques minutes et deux fluides antigivre de type II et IV présentant des temps de protection respectifs de moyenne et longue durée. Un fluide de référence a été également utilisé pour fin d'étalonnage. Les essais aérodynamiques réalisés sont semblables aux essais normalisés utilisés pour la certification des produits commerciaux; leur particularité vient de ce qu'ils ont été réalisés dans une soufflerie mobile de petite dimension opérée à l'intérieur d'une chambre climatique maintenue à température constante. La paroi du haut de la soufflerie s'ouvre pour permettre l'exposition sur toute la surface d'essai du fluide candidat aux gouttelettes surfondues de 150 jam simulant la bruine verglaçante ou aux flocons de neige distribués à la main. Les différents niveaux de dilutions retenues, compris entre 0 et 70 %, reproduisent les effets de la dilution dynamique occasionnée dans le fluide résiduel au moment du décollage par les particules de glace ou les gouttelettes surfondues. Les pourcentages de dilution sont les valeurs calculées à partir de l'intensité et la durée de la bruine verglaçante ou de la masse totale de neige distribuée dans une couche de fluide d'épaisseur connue. L'acceptabilité aérodynamique des produits est déterminée lors du décollage simulé, comme dans l'essai aérodynamique normalisé, à partir de la valeur de l'ECDL mesurée à 30 secondes. Les produits commerciaux soumis aux essais présentent des comportements aérodynamiques différents selon le type de fluide, la température de l'essai, le niveau de dilution et la nature de la contamination. Les deux fluides dégivrants de type I, se sont montrés acceptables à -10 °C sur le plan aérodynamique avec des valeurs de l'ECDL comparables à l'erreur expérimentale jusqu'à ce que soient atteints des niveaux de dilution de 50 % où le mélange avoisine alors le point de congélation; en haut de 50 %, il y a formation, avant ou durant l'essai, de «névasse», constituée d'un mélange hétérogène de glace et de fluide, qui fait augmenter brusquement les valeurs de l'ECDL. À -20 °C, le comportement est similaire sauf que la «névasse» commence à se former à des pourcentages de dilution aussi faibles que 20 %. Pour sa part, le produit antigivre de type II de moyenne durée ne s'est pas montré acceptable sur le plan aérodynamique à -10 °C et à -20 °C alors que le fluide de type IV offrant la meilleure protection est acceptable jusqu'à ce que de la «névasse» commence à se former, plus précisément à partir de 70 % de dilution à -10 °C et de 50 % à -20 °C. Avec les quatre produits commerciaux étudiés, la diminution de la performance aérodynamique caractérisée par la brusque augmentation de l'ECDL a toujours été confirmée par l'observation visuelle de plaquettes de «névasse» formée avant ou au cours de l'essai. La rugosité créée par la «névasse» formée en surface perturbe la couche limite à l'interface entre l'air et le fluide, augmentant alors considérablement la valeur de l'EDCL. Avec les produits de type I, aucune différence significative sur le plan aérodynamique n'a été observée avec les trois types de contamination correspondant à l'état prédilué, ou après exposition aux gouttelettes surfondues et à la neige. Avec les produits de types II, les valeurs les plus élevées de l'ECDL sont celles obtenues avec la neige tandis que les plus faibles sont celles mesurées avec le produit à l'état prédilué. Avec la bruine verglaçante, les valeurs de l'EDCL mesurée avec les produits de types II et IV sont proches de celles du fluide prédilué. Les fluides prédilués constituent des solutions parfaitement homogènes. La «névasse» va s'y former par plaquettes aux endroits où la température du fluide dilué avoisine le point de fusion; ces dernières gèlent alors de façon spontanée. Dans le cas des produits exposés aux gouttelettes surfondues et aux particules de neige, les temps de diffusion des gouttelettes surfondues et de dissolution des particules de neige sont relativement courts, étant limités à la période de temps allant du début de l'exposition à la précipitation au démarrage de l'essai. Le fluide devient non homogène, étant plus dilué en surface qu'en profondeur, favorisant alors le développement de «névasse» en surface à un niveau de dilution plus faible qu'avec un fluide homogène. Sur la base de ces résultats, l'acceptabilité aérodynamique du fluide ne serait pas bien évaluée dans les tests standards effectués avec seulement les fluides prédilués, en particulier, pour les fluides antigivre offrant une protection de moyenne et longue durées. Si le fluide résiduel prédilué au moment de l'envol est parfaitement homogène, le fluide dilué dynamiquement, i.e. contaminé par les précipitations glacées, est hétérogène, ce qui affecte son comportement aérodynamique en raison de la plus grande rugosité de surface qui s'y développe à l'interface air-fluide.

Le but de notre travail est d'apporter une contribution à l'analyse de la structure des flammes laminaires étirées de diffusion. En effet, ces flammes laminaires étirées jouent un rôle important dans la modélisation des flammes turbulentes utilisant le concept de flammelette. Le modèle de la flamme cohérente considère la combustion turbulente comme l'assemblage de flammelettes laminaires étirées, emportées et déformées par la turbulence. L'étude des flammelettes laminaires permet de valider les mécanismes chimiques, de dégager les réactions prépondérantes de la combustion, de connaître la structure fine du front de flamme et de connaître pour une pression et une température de gaz frais donnée les fractions massiques de toutes les espèces chimiques. Ce travail se divise en deux grandes parties. La première est consacrée à la modélisation et au traitement numérique des flammes laminaires étirées de diffusion. On y trouvera une description des équations de bilan, les expressions des propriétés de transport et des variables thermodynamiques, les notions de réactions chimiques et de mécanismes cinétiques, les équations de bilan des flammes laminaires étirées, la formulation à étirement constant, les conditions aux limites, la méthode Newton et le couplage de cette méthode avec un maillage adaptatif. La seconde partie est consacrée à l'étude numérique de la flamme laminaire étirée de diffusion méthane air. On y trouve deux calculs pour deux schémas cinétiques différents. Le premier mécanisme réactionnel contient 27 espèces et 100 réactions. L'étude porte sur l'influence de l'augmentation de la température des gaz frais sur la structure du front de flamme. Le deuxième schéma réactionnel contient 38 espèces et 162 réactions. La différence entre ce schéma et le premier, c'est que le deuxième tient compte des oxydes d'azote. On y trouve dans la seconde partie l'étude de l'influence de l'augmentation de la température des gaz frais et de la viciation de l'air par des produits de combustion sur la formation des oxydes d'azote. A la fin de la dernière partie de ce mémoire on trouve les graphes, les figures ainsi que les références.

Dans ce mémoire nous avons étudié la conductivité thermique, la diffusivité thermique, la capacité thermique et la granulométrie de produits du carbone comme le coke et l'anthracite. Ces propriétés thermo physiques ont été analysées dans la gamme de températures de 20 - 1 000° C. À faible température, une méthode en régime stationnaire (guarded hot plate technique) a été utilisée. Pour mesurer la diffusivité thermique jusqu'à 1 000°C, un dispositif basé sur un principe de chauffage monotonique, a été développé. La méthode flash a aussi été utilisée pour les mesures de certaines particules de grandes dimensions. De plus, la porosité et la granulométrie ont été déterminées. Pour l'interprétation des données expérimentales, des modèles faisant appel à des conductivités équivalentes ont été appliqués. La dépendance de la température sur les résultats fait l'objet d'une discussion.

Les modèles de séparation d'une émulsion huile-eau sont utilisés pour la simulation des séparateurs gravitationnels huile-eau. Cependant, la plupart des modèles existants ne considèrent pas la coalescence des particules d'huile. Or, afin d'améliorer la précision d'un modèle de séparation, il est préférable de prendre compte le phénomène de coalescence. Nous présentons un modèle eulérien-lagrangien de séparation qui tient compte de la coalescence des particules. Celui-ci est constitué d'un modèle eulérien de séparation couplé à un modèle lagrangien tenant compte de la coalescence. Le développement du modèle lagrangien constitue le point central du travail car l'important est de compléter un modèle eulérien. a priori quelconque, à l'aide d'un modèle lagrangien de coalescence. Pour nous assurer de la validité du modèle eulérien-lagrangien, on simule, à l'aide de ce dernier, la séparation d'une émulsion huile-eau pour un séparateur gravitationnel simple. La comparaison de nos résultats avec ceux d'une expérience physique de ce genre déjà réalisée montre que le modèle reproduit bien la réalité de cette expérience. Antonin Dallaire, étudiant Sylvain Boivin, directeur de recherche Rung Tien Bui, co-directeur de recherche

L'accumulation de givre sur les diverses composantes d'un avion en attente au sol peut causer des pertes de performances aérodynamiques au décollage qui dans nombre de cas se sont avérées néfastes. L'avènement des fluides antigivre, afin de protéger les surfaces portantes de la précipitation a permis de réduire de beaucoup les pertes de portance. Toutefois, des tests en soufflerie réfrigérée dans des conditions de dilution homogène ( eau diluée préalablement au fluide protecteur) ont montré que les résidus de fluide protecteurs eux-mêmes induisent une perte de portance au décollage. Ces pertes sont toutefois acceptables pour un taux inférieur à 5% en vertu de la marge de manoeuvre du pilote et de leur effet temporaire. Cependant dans le cas du vol réel, il s'agit plutôt d'une dilution dynamique, c'est-à-dire que la précipitation vient se diluer dans un fluide concentré. Au basses températures (-20°C) il y a formation d'une mince strate glaciale au dessus du fluide protecteur ce qui est susceptible d'engendrer une perte accrue de portance par rapport à la dilution homogène. Afin de caractériser ces pertes de portance, il a fallu mettre en place une infrastructure expérimentale. Il y a la conception et la réalisation d'une balance aérodynamique basée sur la théorie des déformations élastiques mesurées par jauges de contraintes. Elle possède une ossature rigide tout en étant dotée d'une bonne sensibilité. Il y a la minimisation des effets de parois latérales par l'implantation de murs de séparation qui permettent la bidimensionnalisation du modèle d'aile. Les effets des parois supérieure et inférieure furent compensés par un terme correctif appliqué sur les coefficients de portance. Il y a également l'instauration d'un système de gicleurs simulant la bruine verglaçante de 200 fim de diamètre pouvant opérer jusqu'à - 20 °C. Le tout est géré par un logiciel d'application réalisé par certains membres du LIMA. La simulation en soufflerie fût réalisée sur un modèle symétrique NACA 0018 bidimensionnel. Les tests furent effectués pour une densité de précipitation relativement forte (28,5 g/dm2h) à deux températures (-10°C, -20°C), deux taux de dilution (15%, 30%) et ce pour trois fluides commerciaux de rhéologie non-newtonienne. Le décollage est simulé à l'aide d'une rampe d'accélération de 2,6 m/s2 dans un l'intervalle de vitesse 2 < U < 50 m/s. La rotation de l'aile débute à 40 m/s et elle tourne au taux de 2.9 °/s. Dans chaque condition, trois tests ont été effectués: un test à sec (Courbe de référence), un test en dilution dynamique et un dernier en dilution homogène. À - 20°C et à 30% de dilution, les résultats obtenus pour des angles utilisés lors du décollage (1 à 8°) démontrent une perte de portance accrue pour la dilution dynamique en comparaison à la dilution homogène et ce pour chaque fluide. Les pertes de portance à CLmax dépassent largement la norme de sécurité de 5%. À -10°C, il n'y a pas de perte de portance significative par rapport au test à sec. On conclue que les fluides anti-givres sont efficaces dans bon nombre de situations. Toutefois, le mode de dilution dynamique qui s'apparente au vol réel démontre que l'utilisation de chacun de ces fluides est inacceptable au point de vue des normes de sécurité dans les conditions extrêmes de forte précipitation à basse température.

Différentes modélisations de gaz réels ont été développées depuis quelques décennies afin de quantifier efficacement le transfert de chaleur par rayonnement dans une enceinte de combustion. Cependant, chacune de ces méthodes possède sa propre formulation (coefficient d'absorption ou transmissivité moyenne) et conduit à différents degrés de précision qui dépendent des caractéristiques de l'enceinte considérée, telles que la distribution en température et en fraction molaire, la nature du gaz, les dimensions de l'enceinte et l'émissivité aux parois. Par ailleurs, chaque modèle nécessite un temps de calcul qui lui est propre et qui varie de façon conséquente d'une méthode à l'autre. Des études monodimensionnelles et bidimensionnelles pour des géométries complexes sont présentées dans cette thèse et permettent de comparer les performances, pour ces différentes caractéristiques, de modèles actuels formulés en coefficients d'absorption, qui sont les méthodes CK, SNB-CK, SLW et SPGG, ainsi que celles de nouvelles modèles, qui sont des variantes de la méthode SNB-CK utilisant des regroupements uniformes ou sélectifs des bandes étroites de nombre d'ondes. Ces modèles sont, par ailleurs, couplés avec la méthode aux ordonnées discrètes pour la résolution de l'équation de transfert radiatif. La variante utilisant le regroupement sélectif basé sur les bandes d'émission primaires du CO2 est particulièrement intéressante et permet un très bon compromis entre la précision des résultats obtenus et le temps de calcul.