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In the present study, the problem of optimization of thermal cracker (pyrolysis) operation is discussed. The main objective in thermal cracker optimization is the estimation of the optimal flow rates of different feeds (such as, Gas-oil, Propane, Ethane and Debutanized natural gasoline) to the cracking furnace under the restriction on ethylene and propylene production. Thousands of combinations of feeds are possible. Hence the optimization needs an efficient strategy in searching for the global minimum. The optimization problem consists of maximizing the economic profit subject to a number of equality and inequality constraints. Modelling, simulation and optimal operation via optimization of the thermal cracking reactor has been carried out by gPROMS (general PROcess Modelling System) software. The optimization problem is posed as a Non-Linear Programming problem and using a Successive Quadratic Programming (SQP) method for solving constrained nonlinear optimization problem with high accuracy within gPROMS software. New results have been obtained for the control variables and optimal cost of the cracker in comparison with previous studies.

Indiana University-Purdue University Indianapolis (IUPUI) / Computer Numerical Control (CNC) is widely used in many industries that needs high speed machining of the parts with high precision, accuracy and good surface finish. In order to avail this the generation of the CNC part program size will be immensely big and leads to an inefficient process, which increases the delivery time and cost of products. This work presents the automation of high-accuracy CNC tool trajectory planning from CAD to G-code generation through optimal NURBs surface approximation. The proposed optimization method finds the minimum number of NURBS control points for a given admissible theoretical cord error between the desired and manufactured surfaces. The result is a compact part program that is less sensitive to data starvation than circular and spline interpolations with potential better surface finish. The proposed approach is demonstrated with the tool path generation of an involute gear profile and a topologically optimized structure is developed using this approach and then finally it is 3D printed.

Yes / Natural draft cooling towers are subjected to dynamic air temperature and humidity ratio of air throughout the day. Their performances based on steady state model is restricted to single air temperature and humidity ratio of air values and thus are not accurate. In this work, a dynamic model for a natural draft cooling tower is developed. Air temperature and relative humidity data for Johannesburg were acquired to develop dynamic correlations for these two parameters and are embedded in the process model together with the dynamic model of the collection basin of the tower. A simple algorithm is proposed to solve the resulting boundary value problem. Finally, the common perception that seawater/river water should be used instead of freshwater as cooling medium is tested via optimisation where the operating costs of the process for two cooling mediums is minimised. The freshwater has been found to be cost effective cooling medium.

L’objectif de nos travaux de recherches est d’homogénéiser la répartition des vitesses à la sortie des filières, par la maîtrise et l’optimisation des paramètres géométrique et opératoires. Une procédure d’optimisation, basée sur la méthode de surface de réponse, a été proposée. Toutes les fonctions sont écrites sous une forme explicite en utilisant soit l’approximation diffuse ou l’interpolation Krigeage. Compte tenu de la présence des contraintes non linéaires, un algorithme de type SQP, a été utilisé. Pour localiser l’optimum global avec précision, une procédure d’échantillonnage auto adaptatif de l’espace de recherche a été adoptée. Les résultats d’optimisation mettent en évidence l'intérêt de l’optimisation des paramètres géométriques et opératoires du procédé d’extrusion. Une filière optimisée numériquement pour une gamme différente de polymère a été réalisée et une comparaison expérimentale a permis de valider toute la procédure de simulation et d’optimisation mise en place. / The objective of our research tasks is to homogeneous the velocity distribution on the outlet side of the die, through the control and the optimization of the geometrical parameters and operating conditions. An optimization procedure, based on the response surface method, was proposed. All the functions are written in an explicit form by using the either diffuse approximation or the Kriging interpolation. Due to the presence of the nonlinear constraints, an iterative algorithm of type SQP, was used. To find the global optimum with precision and at lower cost an auto-adaptive research space is adopted. The results of three other applications highlight the interest of the optimization of the geometrical and operational parameters of the extrusion process. A die optimized numerically for multiple operating conditions and materials was produced. An experimental comparison allowed us to validate all the procedure of simulation and optimization put in place.

Les travaux de cette thèse portent sur la méthodologie de conception des Machines Synchrones à Aimants Permanents (MSAP) avec pour application le véhicule électrique. Dans une première partie, nous avons abordé du contexte de l'étude et de la problématique du dimensionnement. A l'occasion, nous avons montré qu'il est nécessaire d'adopter une méthodologie de design appropriée en fonction de l'avancement de chaque projet dans le cadre du processus de conception. Nous avons alors proposé différents niveaux de modélisation afin de repérer la machine optimale face au cahier des charges pour ensuite la caractériser plus finement et l'optimiser. La seconde partie du rapport traite donc de la modélisation et de l'optimisation de la MSAP. En premier lieu, un modèle analytique permet d'évaluer les performances globales des centaines de machines très rapidement. Ce premier calcul permet de sélectionner les meilleures machines à l'application pour ensuite les optimiser. Puis, le second niveau de modélisation se base sur les réseaux de réluctances. Ce niveau plus fin permet d'une part de retrouver les performances affinées des MSAP et également de procéder à l'optimisation. Enfin, la dernière partie du rapport est consacrée à l'optimisation de la MSAP en vue d'améliorer grandement les performances et de satisfaire au mieux au cahier des charges. / The works of this thesis concern the design methodology of Permanent Magnet Synchronous Machine (PMSM) for an electric vehicle application. The first part of this report introduces the context of the study and the problem of design. Then, we have shown that it is necessary to adopt an appropriate design methodology based on the progress of each project in the design process. Thus, we proposed different levels of modeling to identify the optimal machine against the specifications, and then characterize it more finely and optimize. The second part of the report deals with the modeling and optimization of the PMSM. First, an analytical model is employed to evaluate the overall performance of hundreds of machines very quickly. The first calculation is used to select the best machine for the application and then optimize them. Then, the second level of modeling is based on reluctance networks. This model allows finer resolution of the PMSM and also permits to perform optimization. The last part of the report is devoted to the optimization of the PMSM in order to greatly improve performances and meet the specifications.

Nichtlineare Finite-Element-Probleme sind unentbehrlich für die Modellierung und Simulation im Bereich der Mechanik. Für die Lösung solcher Probleme sind schnelle und robuste Algorithmen unverzichtbar. Nichtlineare FETI--DP-Verfahren haben ihre Robustheit und Skalierbarkeit für Probleme der nichtlinearen Strukturmechanik nachgewiesen. Typischerweise werden diese nichtlinearen FETI--DP-Verfahren in Kombination mit dem Newton-Verfahren oder Varianten des Newton-Verfahrens verwendet. Diese Verfahren sind nicht global konvergent. In der vorliegenden Arbeit wird gezeigt, wie nichtlineares FETI--DP unter Verwendung einer exakten differenzierbaren Penalty-Funktion oder mittels eines SQP-Verfahren globalisiert werden kann. Es werden Standardkonvergenzaussagen, unter direkter Verwendung von nichtlinearer Elimination, welche ein zentraler Baustein für nichtlineares FETI--DP ist, bewiesen. Numerische Ergebnisse zeigen, dass die Robustheit und Skalierbarkeit durch die Globalisierung erhalten bleiben.

Les réseaux de distribution sont aujourd'hui confrontés à un accroissement significatif de la Génération d'Énergie Dispersée. Cet accroissement pose, notamment, des problèmes des tension que les moyens de réglage de la tension utilisés aujourd'hui ne parviennent plus à éviter. En conséquence, la capacité d'accueil des réseaux de distribution est aujourd'hui très limitée. Cette thèse propose une méthode de réglage de tension novatrice appelée OMD pour Optimisation Mixte Découplée. Cette méthode se base sur une gestion optimale en temps réel de la puissance réactive des GED et des variables discrètes du système. Les simulations entreprises montrent que l'algorithme développé permet d'augmenter significativement le nombre de GED connectées au réseau et d'optimiser les pertes Joule. De plus, l'OMD apporte une plus value intéressante de par sa modularité et sa flexibilité en comparaison avec d'autres méthodes proposées dans la littérature. Une étude complémentaire montre que le concept de l'OMD peut être repris et appliqué à d'autres systèmes. Ainsi, un réglage de tension optimal, basé sur l'OMD a été développé pour les parcs éoliens. Il permet un contrôle optimal de la tension à l'intérieur des parcs tout en assurant le maintien d'une consigne de puissance réactive ou de tension au point de connexion avec le réseau. Le réglage de tension proposé dans cette thèse est donc une des solutions qui pourra permettre un meilleur fonctionnement des réseaux de distribution du futur : les Smart Grids

Au cours de cette étude, différents aspects d'optimisation ont été abordés. L'objectif de nos travaux de recherches est d'homogénéiser la répartition des vitesses à la sortie des filières, par la maîtrise et l'optimisation des paramètres géométrique et opératoires. Dans cette étude l'optimisation a été effectuée en utilisant un logiciel commercial Rem3D®, basé sur la méthode des éléments finis.<br />Une procédure d'optimisation, basée sur la méthode de surface de réponse, a été proposée. Celle-ci nous a permis de résoudre un problème d'optimisation implicite dont l'évaluation des fonctions est très coûteuse en temps de calcul. Pour cela, toutes les fonctions sont écrites sous une forme explicite en utilisant soit l'approximation diffuse ou l'interpolation Krigeage. Compte tenu de la présence des contraintes non linéaires, un algorithme itératif de type SQP, a été utilisé. Pour localiser l'optimum global avec précision et à moindre coût, une procédure d'échantillonnage auto adaptatif de l'espace de recherche a été appliquée et plusieurs stratégies permettant de réactualiser les approximations et le point initial ont été adoptées.<br />Dans la première étape l'objectif était d'identifier le comportement rhéologique d'une matière plastique en production. La comparaison avec des mesures en rhéométrie capillaire nous a permis de vérifier la pertinence des paramètres rhéologique obtenus par optimisation.<br />Les résultats de trois autres applications mettent en évidence l'intérêt de l'optimisation des paramètres géométriques et opératoires du procédé d'extrusion.<br />Une filière optimisée numériquement pour une gamme différente de polymère a été réalisée et une comparaison expérimentale a permis de valider toute la procédure de simulation et d'optimisation mise en place. Les résultats expérimentaux et de simulations montrent une bonne homogénéisation de la répartition des vitesses à la sortie de la filière optimale pour une gamme très large de débits et pour différents polymères.

An optimal control problem governed by the heat equation with nonlinear boundary conditions is considered. The objective functional consists of a quadratic terminal part and a quadratic regularization term. It is known, that an SQP method converges quadratically to the optimal solution of the problem. To handle the quadratic optimal control subproblems with high precision, very large scale mathematical programming problems have to be treated. The constrained problem is reduced to an unconstrained one by a method due to Bertsekas. A multigrid approach developed by Hackbusch is applied to solve the unconstrained problems. Some numerical examples illustrate the behaviour of the method.