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.

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

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

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

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

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

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