Les travaux présentés ici ont pour objet l'étude fondamentale de l'écoulement gaz-liquide dans un canal ouvert vers le bas. Cette étude permettra de mieux comprendre l'effet des rainures de l'anode sur la cuve d'électrolyse. La complexité du phénomène étudié fait en sorte qu'il est nécessaire d'avoir recours à l'expérimentation en utilisant un modèle à eau de l'écoulement dans un canal ouvert. Ces expériences permettent tout d'abord de décrire en détail la morphologie de l'écoulement. Comme il a déjà été observé dans d'autres écoulements gaz-liquides, différents régimes d'écoulement sont répertoriés pour le canal ouvert vers le bas. La mesure de différentes variables dans l'écoulement notamment la fraction volumique des phases, la taille des bulles, de même que la vitesse des bulles et du liquide permet de mieux comprendre les régimes d'écoulement et les transitions et permettra l'élaboration et la validation d'un modèle mathématique de l'écoulement dans la rainure. En plus de s'intéresser à l'écoulement dans un canal ouvert vers le bas, les travaux réalisés ont permis d'étudier l'effet de cet écoulement sur la couche de bulles sous l'anode. Grâce à l'expérimentation sur un modèle à eau, les variables comme le taux de couverture par le gaz ou la distribution de la taille des bulles ont pu être mesurées sur une anode rainurée ou non. Des techniques non intrusives basées sur l'analyse d'image ont permis de recueillir toutes les données nécessaires sur l'écoulement. Les caractéristiques précises de l'écoulement étudié ainsi que la nature des mesures devant être effectuées ont rendu nécessaire le développement d'outils d'analyse d'image spécifiquement pour l'étude de l'écoulement dans la rainure. Ces outils utilisent les principes fondamentaux de traitement et d'analyse des images et peuvent être utilisés à la fois pour un écoulement confiné entre deux plaques ou le mouvement des bulles sous une surface.

Au cours des années doctorales, deux des principaux aspects concernant le rôle des bulles dans une cuve d'électrolyse ont été étudiés : l'écoulement engendré par celles-ci et l'augmentation de la résistance électrique causée par leur présence sous l'anode. Les quatre premiers chapitres de la thèse sont principalement dédiés au premier aspect tandis que le dernier porte sur la résistance électrique. Dans le premier chapitre, une modélisation numérique de l'écoulement engendré par les bulles a été effectuée. Pour la première fois, un modèle polyphasique euler-euler a été utilisé. Les résultats obtenus numériquement ont été comparés à ceux mesurés dans un modèle physique à eau. La comparaison a montré que le champ d'écoulement global est similaire dans les deux cas, mais que la grandeur du champ de vitesse est légèrement supérieure dans le cas du modèle numérique. Une partie de cette différence est attribuée au fait que les données quantitatives concernant le mouvement d'une bulle sous une surface légèrement inclinée n'étaient pas disponibles. Au deuxième chapitre, les influences de l'inclinaison de la surface, du volume des bulles et des propriétés du liquide sur le mouvement d'une bulle sous une surface légèrement inclinée sont étudiées expérimentalement. Pour l'ensemble des études réalisées, les bulles se déplaçaient en régime de mouillage complet, c.-à-d. que la bulle et la surface solide sont séparées par un mince film de liquide. Au chapitre 3, un capteur à fibres optiques a été développé pour mesurer l'épaisseur de ce film de liquide. Cette dernière est un paramètre important pour comprendre le rôle du film liquide sur le mouvement de la bulle. Le capteur tient compte de la perturbation engendrée par la présence de l'interface inférieure de la bulle. Par la suite, deux régimes asymptotiques du mouvement d'une bulle sous une surface ont été étudiés au chapitre 4. Le premier est dominé par la dissipation visqueuse associée à l'existence du film tandis que le deuxième est principalement contrôlé par l'inertie. Finalement, dans le dernier chapitre, un modèle mathématique qui évalue l'augmentation de la résistance électrique engendrée par la présence d'un grand nombre de bulles sous des conditions normales d'électrolyse est présenté. Le modèle mathématique proposé prend comme données d'entrée les sorties du simulateur de la couche gazeuse développé à l'Université du Québec à Chicoutimi. Auparavant, une étude quantifiant l'influence de la forme de la bulle sur l'augmentation de la résistance électrique est effectuée.

L'origine de la technologie de la mise en forme des métaux semi-solides remonte à plus de trente ans. L'industrialisation du moulage d'alliages semi-solides ne s'est répandue que depuis une dizaine d'année et elle a amené une nouvelle problématique, soit le développement de moules spécifiques. Les concepts utilisés pour fabriquer des moules pour l'injection d'alliages liquides ne garantissent par la performance avec l'utilisation d'alliages semi-solides. Surtout dans le moulage sous pression où la phase de remplissage du moule est critique lors de l'utilisation d'alliages semi-solides. Des outils de simulation numérique sont nécessaires pour concevoir et optimiser les moules. Ce travail à donc comme objectif de déterminer la validité d'un modèle mathématique à une phase utilisé dans un environnement de simulation isotherme pour reproduire l'écoulement de l'aluminium semi-solide dans le moulage sous pression. Une moule utilisé pour fabriquer des éprouvettes de traction sert de témoin. Ce moule a été choisi parce qu'il présente des difficultés lors de son remplissage. Dans un premier temps, la modélisation physique avec un fluide analogue est utilisée pour reproduire les conditions d'injection de l'aluminium semi-solide. La pâte de tomate a été choisie comme fluide analogue pour ses propriétés pratiques et rhéologiques. Une réplique de moule a été fabriquée. Celle-ci utilise des parties en acrylique pour permettre l'enregistrement vidéo du remplissage du moule. Une caméra numérique capturant jusqu'à mille images par seconde a réalisé cet enregistrement. Diverses conditions de vitesses d'injections et de configuration du système de ventilation ont été mises à l'essai et enregistrées. Ces conditions ont été reproduites dans le logiciel de simulation ProCAST. Un modèle mathématique à une phase a servi à modéliser la viscosité de la pâte de tomate en fonction du taux de cisaillement. Ce modèle a été étalonné d'après la caractérisation rhéologique expérimentale de la pâte de tomate. Les résultats des simulations montrent une bonne concordance avec les vidéos des remplissages expérimentaux. L'environnement de simulation a ainsi été validé. Par la suite, un modèle mathématique a été utilisé pour représenter l'aluminium semi-solide dans le même environnement de simulation. Le modèle de rhéologie de l'aluminium semi-solide est une loi de puissance. Les caractéristiques de ce modèle ont été tirées des travaux antérieurs d'Orgéas. Ils permettent de comparer les résultats avec d'autres dans la littérature. Pour valider ces simulations, une série de moulages de pièces en aluminium semi-solide a été réalisée. Cette série comprend plusieurs pièces de remplissage partiel et quelques pièces complètes. Les pièces de remplissage partiel montrent l'écoulement du fluide lors de l'injection à divers temps fixés. Les pièces complètes permettent d'analyser les produits finis en métallographie. La combinaison de ces résultats montre que les simulations de l'écoulement de l'aluminium semi-solide permettent de prévoir le patron de remplissage. Le modèle à une phase n'est cependant pas en mesure de reproduire la ségrégation des phases, présente dans le moulage expérimental. Ce phénomène peut être évité en produisant une distribution symétrique du fluide dans le moule. La comparaison des résultats expérimentaux obtenus avec l'aluminium semi-solide et avec la pâte de tomate permet d'établir que cette dernière est un bon fluide analogue pour l'aluminium semi-solide. La modélisation physique peut donc être utilisée dans le développement de moules. Il est plus rapide de simuler diverses vitesses d'injection en modélisation physique qu'en modélisation mathématique. Les outils pour la conception et le développement de moules spécifiques à l'utilisation d'aluminium semi-solide ont été validés. Un modèle à une phase permet de reproduire le comportement macroscopique de l'aluminium semi-solide lors de l'injection dans un moule, si le moule n'est pas propice à la ségrégation des phases. Ceci permet de mettre à l'essai plusieurs géométries de moule sans nécessiter de fabrication. Remerciements Ce travail a été réalisé à l'Université du Québec à Chicoutimi (UQAC) en collaboration étroite avec le Centre des Technologies de l'Aluminium (CTA). L'auteur est sous la supervision du Professeur André Charette de l'UQAC et du Docteur Dominique Bouchard du CTA. Un support particulier a été fourni par Frédéric Pineau (CTA) en modélisation. La fabrication du moule a été assurée par Antoine Pelletier de l'Institut des matériaux industriels. La modélisation physique a été réalisée à l'usine pilote installée dans les locaux chez STAS avec Roberto Chevarie et Stéphane Leclerc. Chang-Qing Zheng (CTA) a aussi permis de réaliser les pièces moulées sur la presse. Le procédé SEED, breveté par Alcan Inc., a été utilisé pour produire l'aluminium semi-solide.

L'objectif général de cette thèse de doctorat est de développer des modèles mathématiques permettant d'évaluer l'énergie requise pour le dégivrage thermique par effet Joule des conducteurs aériens de transport de courant et ainsi prévenir la formation de glace dans des conditions météorologiques et de transmission électrique variées. Les prédictions de ces modèles analytiques ont été validées expérimentalement dans le but d'évaluer la puissance prédictive de ces modèles. Premièrement, un modèle a été établi pour calculer l'intensité de courant minimum nécessaire pour empêcher la formation de glace sur un conducteur de ligne à haute tension. Des coefficients de correction, tenant compte de d'eau de ruissellement sur la surface du conducteur, de même que la dérivation du film d'eau à partir de l'état d'équilibre thermique, ont été introduits pour trois conducteurs spécifiques. Les résultats des modèles s'accordent bien avec les observations effectuées dans des conditions correspondantes simulées dans une soufflerie réfrigérée. Afin de compléter le modèle, il était nécessaire d'évaluer le coefficient moyen de transfert de chaleur pour les conducteurs toronnés. Ce coefficient a été obtenu pour des conducteurs nus de lignes aériennes avec différentes géométries de surface, en utilisant des mesures et des simulations numériques. Deuxièmement, un modèle basé sur le principe des différences finies a été développé pour calculer le courant et l'énergie requis pour le dégivrage des conducteurs partiellement couverts de glace. Deux types de chauffage thermique par effet Joule ont été analysés, le courant alternatif et le courant d'impulsion, et ce, pour un grand nombre de paramètres atmosphériques. On a trouvé que ceux deux techniques de chauffage peuvent être utilisées selon des stratégies différentes dépendamment du temps d'interaction nécessaire au cours du processus d'accumulation de glace. Afin de compléter le modèle, il a fallu évaluer la conductivité thermique radiale équivalente des conducteurs toronnés par le moyen de modèles théoriques avec validation expérimentale. Troisièmement, des approches analytiques validées expérimentalement ont été proposées afin de déterminer le temps et l'énergie nécessaires pour le dégivrage d'un conducteur complètement recouvert de glace en utilisant la chaleur dérivée d'un courant alternatif nominal augmenté. Cette procédure peut donner une estimation rapide de la chaleur par effet Joule exigée pour enlever totalement la glace autour d'un conducteur en fonction des différents paramètres l'influençant. En conclusion, cette thèse propose des modèles mathématiques validés expérimentalement, qui peuvent être utilisés efficacement pour calculer le courant et l'énergie requis pour le dégivrage des conducteurs à haute tension ou pour prévenir l'accumulation de glace sur ceux-ci.

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.