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

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

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

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

Les engrenages sont utilisés dans divers secteurs industriels, notamment le secteur aérospatial. La tendance actuelle de l'industrie aérospatiale est de rechercher des moyens de diminuer les émissions polluantes générées par la fabrication et le fonctionnement de leurs produits. Le procédé de fabrication des engrenages comprend une étape de traitement thermique qui a pour effet d'améliorer la résistance à la flexion en pied de dent et à la pression de contact. La cémentation est actuellement le traitement préféré, car il améliore grandement la résistance des engrenages et est un procédé bien maîtrisé. Uinduction thermique est un traitement thermique alternatif à la cémentation qui intéresse l'industrie aéronautique parce qu'il est moins polluant et qu'il donne des résultats prometteurs. Le présent mémoire présente une étude expérimentale de la résistance à la flexion en pied de dent de roues droites cylindriques en acier AISI 4340 traitées thermiquement par induction. Lors d'un traitement thermique par induction, plusieurs paramètres peuvent être variés (temps, fréquence, puissance, géométrie de l'inducteur, etc.). Les roues dentées ont été traitées selon neuf traitements différents dans lesquels sont variés le temps, la puissance et la fréquence. La résistance à la flexion en pied de dent est principalement fonction du profil de dureté et du profil des contraintes résiduelles. Seuls les profils de dureté ont été mesurés. Le mémoire explore les liens entre la résistance à la flexion en pied de dent et les paramètres des traitements thermiques par induction.

Cette thèse traite de la simulation numérique du processus de soudage par impulsion magnétique. Le but est de pouvoir prédire la soudabilité d'un essai. Une première partie permet de se familiariser avec le procédé et une recherche bibliographique est présentée. Le soudage par explosion sert de comparatif pour dégager les critères de soudabilité, tandis que les études numériques sur le formage par impulsion magnétique permettent une première approche de la modélisation par le couplage séquentiel. La seconde section traite de la simulation électromagnétique dans ANSYS, simulation qui part d'un courant imposé dans une bobine pour arriver au calcul des forces de Lorentz qui vont propulser le tube extérieur sur le tube intérieur, tout deux placés de façon concentrique dans la bobine. Le modèle développé est vérifié et une étude de sensibilité des paramètres matériau et de dispositif est menée. Dans la troisième partie le modèle mécanique est développé dans ABAQUS/Explicit et les différentes opportunités de couplage ainsi que les nombreuses difficultés présentées. Par un couplage séquentiel, un outil de simulation du formage a été codé et par couplage séquentiello-faible, l'outil de simulation du soudage. Enfin une dernière partie permet d'exploiter l'outil numérique pour optimiser les essais ; l'analyse est faite selon 3 critères : vitesse d'impact, vitesse de collision et angle d'impact. Dans un premier temps, une étude de sensibilité rend compte des tendances des influences des divers paramètres ; ensuite un cas concret fictif est pris et une méthode est mise en place pour optimiser les paramètres que l'utilisateur choisira afin de parvenie au meilleur cordon de soudure.

L'accumulation de la glace atmosphérique sur le réseau de transport et de distribution de l'énergie électrique est à l'origine de problèmes divers de natures électriques et mécaniques. Le délestage naturel de la glace accumulée peut aussi causer d'énormes perturbations dans le réseau et s'avérer être très dangereux. Les risques encourus ne pouvant pas être totalement éliminés, il est possible de les réduire et améliorer la fiabilité du réseau de distribution de l'énergie électrique en développant des systèmes de déglaçage et de prévention du givrage. Pour ce faire, la connaissance des propriétés mécaniques de la glace atmosphérique et de son comportement est primordiale. L'objectif de cette étude dans le cadre de la problématique du délestage, est le développement d'un outil numérique afin de simuler le comportement mécanique de la glace atmosphérique dans un cadre éléments finis. Le logiciel commercial ABAQUS est utilisé à cette fin, dans lequel, la loi de comportement est fournie par l'utilisateur via une sous-routine VUMAT. Le comportement mécanique de la glace est décrit par une loi de comportement multiaxiale élastoviscoplastique avec endommagement ductile. La déformation totale comporte trois composantes : une déformation élastique instantanée, une déformation viscoélastique et une déformation viscoplastique. L'endommagement qui caractérise la perte de rigidité du matériau est pris en compte par un tenseur d'endommagement du quatrième ordre. Le modèle étant à l'origine développé et paramétré pour simuler le comportement ductile de la glace d'eau douce ; des expériences sont menées en laboratoire afin de déterminer les paramètres nécessaires au calibrage du modèle afin de pouvoir simuler le comportement de la glace atmosphérique. Le comportement de la glace atmosphérique est similaire à celui de la glace d'eau douce, il est cependant affecté par différents paramètres. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l'influence de la vitesse de déformation sur la résistance en compression ainsi que les différences existantes entre les comportements en traction et en compression qui caractérisent la classe des matériaux fragiles dont la glace fait partie. L'implementation de la sous-routine VUMAT développée a été validée par un certain nombre de simulations comprenant : la compression uniaxiale non-confinée à taux de contrainte et à taux de déformation constants, la compression uniaxiale confinée. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats tirés de la littérature pour la glace d'eau douce. Finalement, des recommandations sont formulées afin de compléter et améliorer ce travail. Ainsi, l'outil numérique développé permettra de simuler les situations de chargement mécaniques complexes que l'on ne peut reproduire en laboratoire ou en milieu naturel faute de temps ou de moyens.

Les méthodes d’optimisation topologique sont de nos jours très populaires et intégrées dans plusieurs logiciels de conception. Elles munissent le concepteur d’un outil de choix pour l’obtention des formes optimisées en phase de conception. Cependant, l’une des principales limites de ces méthodes est l’interprétation du résultat de l’optimisation en un modèle facilement exploitable dans la suite du processus de conception. En effet, seulement un nombre limité d’approches ont été développées en vue de transformer un modèle optimisé en un modèle de CAO (Conception Assistée par Ordinateur). Bien qu’elles soient probantes à bien des égards, elles sont pour la plupart encore limitées aux modèles en 2D et sont semi ou non automatiques, ce qui fait que le concepteur est beaucoup mis à contribution durant l’interprétation du modèle optimisé. Dans cette recherche, une méthodologie d’interprétation d’un résultat d’optimisation topologique est proposée. La méthode d’optimisation utilisée est la méthode SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) qui donne comme résultat une répartition optimale de la matière dans le modèle. En considérant un résultat de la méthode SIMP qui s’oriente vers des structures composées de poutres, l’approche proposée compte deux étapes importantes que sont l’amélioration de la qualité du résultat de l’optimisation et la conversion en modèle CAO du modèle optimisé adapté qui en découle. Le produit est donc un modèle CAO plus facile à exploiter et à fabriquer. Ce dernier est finalement validé par une analyse multidimensionnelle par éléments finis. En plus d’être automatique, l’approche développée retourne des modèles CAO qui représentent bien la forme telle qu’optimisée. Nowadays, topology optimization methods are very popular and integrated into several computer-aided design (CAD) software. They provide the designer with a tool allowing to obtain optimized shapes in the design phase. However, one of the main limitations of these methods is the interpretation of optimization results into CAD models that can be easily used in subsequent design phases. Indeed, only a limited number of approaches have been developed in order to interpret raw optimization results into CAD models. Even if good results can be obtained with some of these methods, it is still limited to 2D models and these methods are semi- or non-automatic. Consequently, the interpretation process requires the designer’s intervention. In this work, a methodology for automatically interpreting three-dimensional topology optimization result into CAD models is proposed. The optimization method used is the SIMP (Solid Isotropic Material with Penalization) method, which results in an optimized distribution of material inside a given volume. Considering results of the SIMP method that tend towards beam-like structures, the proposed approach involves two main stages, which are quality improvement of the optimized result and conversion of the improved optimized shape into a CAD model of beam structure. Therefore, the outcome of this approach is a CAD model that is easier to use and to manufacture. The converted model is finally validated through a multidimensional finite element analysis (FEA). More than being fully automatic, the proposed method also produces CAD models that are good approximations of optimized shapes generated by the SIMP method.

The exact mechanism with which a fluid interface interacts dynamically with a solid surface during wetting is still open to research. Among the many subjects addressed in this field in the literature, the "moving contact line problem" is one that has been ubiquitous since at least the 1970s, where a paradox in the description of the contact line was found to exist. The paradox in a few words is the next: macroscopic hydrodynamic models using the no-slip boundary condition will predict infinite shear stress close to the contact line. The most promising studies to tackle the problem come from information provided by molecular dynamics simulations. They have confirmed that close to the contact line, the no-slip boundary condition is relaxed to some form of slip. Unfortunately, molecular simulations are still limited to very small scales in space and time, so hydrodynamic models and numerical simulations based on Navier-Stokes equations are still needed. In these simulations, the Continuum Surface Force model CSF for the calculation of the capillary contribution introduces a grid dependent contact line velocity and shear at the wall, which is a problem we proposed to solve here. In this work, we analyze the flow close to the moving contact line in the context of corner stokes-flow and explore the effects of the boundary conditions at the wall. One of these conditions offered in the literature, provides relief to the shear divergence and also opens the possibility to observe Moffatt vortices in the vicinity of the contact line, not yet seen in experiments or numerical simulations. We explore this possibility analytically and then numerically using the code JADIM. The latter task is constrained by the contamination of the velocity field by the so-called spurious velocities if the VOF method is used. To solved this inconvenient, a very promising version of the front-tracking method with lagrangian markers is implemented and enhanced to handle non-uniform distribution of markers without losing its spurious velocities elimination features. Numerical tests are conducted to validate the implementation, spurious velocities are reduce close to machine precision and comparison to benchmark data is performed obtaining good agreement. Tests including contact lines are then compared with exact solutions for shape analyzing the effect of the Bond number, showing remarkable results. Numerical experiments with this implementation close to a contact line show the existence of vortical patterns during of spreading. Finally, and based on the theoretical background developed in this work, a new sub-grid model method is proposed for macroscopic numerical simulations and implemented in the new front-tracking method of JADIM. Quantitative data is obtained and compared to numerical and experimental spreading cases revealing improvement of grid convergence and excellent agreement.

Environmental concerns have motivated turbine engine manufacturers to create new combustor designs with reduced fuel consumption and pollutant emissions. These designs are however more sensitive to a mechanism known as combustion instabilities, a coupling between flame and acoustics that can generate dangerous levels of heat release and pressure fluctuations. Combustion instabilities can be predicted at an attractive cost by Helmholtz solvers. These solvers describe the acoustic behavior of an inviscid fluid at rest with a thermoacoustic Helmholtz equation, that can be solved in the frequency domain as an eigenvalue problem. The flame/acoustics coupling is modeled, often with a first order transfer function relating heat release fluctuations to the acoustic velocity at a reference point. One limitation of Helmholtz solvers is that they cannot account for the interaction between acoustics and vorticity at sharp edges. Indeed, this interaction relies on viscous processes at the tip of the edge and is suspected to play a strong damping role in a combustor. Neglecting it results in overly pessimistic stability predictions but can also affect the spatial structure of the unstable modes. In this thesis, a methodology was developed to include the effect of complex flow-acoustic interactions into a Helmholtz solver. It takes advantage of the compactness of these interactions and models them as 2-port matrices, introduced in the Helmholtz solver as a pair of coupled boundary conditions: the Matrix Boundary Conditions. This methodology correctly predicts the frequencies and mode shapes of a nonreactive academic configuration with either an orifice or a swirler, two elements where flowacoustic interactions are important. For industrial combustors, the matrix methodology must be extended for two reasons. First, industrial geometries are complex, and the Matrix Boundary Conditions must be applied to non-plane surfaces. This limitation is overcome thanks to an adjustment procedure. The matrix data on non-plane surfaces is obtained from the well-defined data on plane surfaces, by applying non-dissipative transformations determined either analytically or from an acoustics propagation solver. Second, the reference point of the flame/acoustics model is often chosen inside the injector and a new reference location must be defined if the injector is removed and replaced by its equivalent matrix. In this work, the reference point is replaced by a reference surface, chosen as the upstream matrix surface of the injector. The extended matrix methodology is successfully validated on academic configurations. It is then applied to study the stability of an annular combustor from Safran. Compared to standard Helmholtz computations, it is found that complex flow-acoustic features at dilution holes and injectors play an important role on the combustor stability and mode shapes. First encouraging results are obtained with surfacebased flame models.