Les turbines à axe horizontal ont souvent été préférées à celles à axe vertical au vu de leurs meilleures performances. Les pistes d’amélioration des turbines à axe vertical incluent notamment l’augmentation de l’efficacité globale en utilisant des pales à calage variable, et la réduction des fluctuations de couple en utilisant des configurations 3D particulières. Un modèle de mécanique des fluides numérique 2D et 3D adaptable est développé et validé dans cette thèse. Il est basé sur le modèle de turbulence RANS k-w SST, dans sa forme instationnaire. Le logiciel FLUENT® est utilisé pour simuler l’écoulement et prédire les performances d’une turbine. Une étude paramétrique 2D des turbines à pales droites est menée dans un premier temps afin de sélectionner le meilleur candidat pour l’étude d’optimisation, tout en rafraichissant l’état de l’art. L’effet de la solidité, du nombre de pales, du rapport de vitesse, du nombre de Reynolds, de l’angle de calage fixe et de l’épaisseur des pales sur l’efficacité aérodynamique de la turbine est évalué afin de déterminer ce qui est la meilleure configuration aérodynamique et le meilleur point d’opération dans des conditions données. L’impact des effets 3D associés à l’allongement des pales et à l’utilisation ou non de plaques de bout est aussi évalué. Les simulations montrent que la solidité optimale basée sur le rayon est autour de o = 0:2. En 3D, un faible allongement de 7 implique une chute d’efficacité relative de 60% par rapport aux prédictions 2D. Des pales plus allongées améliorent radicalement l’efficacité. Les plaques de bouts ont un effet positif sur les performances, en autant que leur taille est limitée. L’étude d’optimisation a montré un potentiel d’amélioration de l’efficacité des turbines à solidité aux alentours de o = 0:5, en utilisant un angle de calage dynamique. Les efficacités 2D atteignent la limite de Betz, et les efficacités 3D suivent la tendance observée sur les turbines à pales fixes. Il est confirmé que les turbines hélicoïdales ont une efficacité réduite comparées à une même turbine avec des pales droites, associé cependant à un lissage du couple. C’est le résultat de la propagation du décrochage le long de la pale, qui fait décrocher certaines portions qui verraient autrement un écoulement attaché. Une réduction de l’angle d’hélice permet de limiter ce phénomène. Des turbines multi-rotors permettent de garder les avantages de turbines à pales droites, comme la possibilité d’un angle de calage variable, tout en diminuant les fluctuations de couple de la même manière qu’augmenter le nombre de pales, sans toutefois changer la solidité. Des éléments de pales plus petits amènent cependant à des pertes dues aux effets 3D, limitant le nombre possible de rotors déphasés dans une fenêtre d’extraction donnée. / Horizontal axis turbines were always preferred to vertical axis turbines in the past due to better characteristics. Areas for improvement of the vertical axis turbine concept include an increase of the global efficiency using variable pitch control, and the reduction of torque fluctuations on the shaft by means of multiple 3D configurations. A 2D and 3D adaptable Computational Fluid Dynamics model is developed and validated in this thesis, using the k-w SST RANS turbulence model in its unsteady form. The proven commercial software FLUENT® is used to simulate the flow and predict as reliably as possible the turbine performance and characteristics. An extensive parametric study of vertical axis turbines of the H-Darrieus type in 2D is first conducted in order to select the best candidate for optimization, as well as to refresh the state-of-the-art in terms of turbines without pitch control. The effects of solidity, number of blades, tip speed ratio, Reynolds number, fixed blade pitch angle and blade thickness on the aerodynamic efficiency of the turbine are evaluated in order to determine what are the best aerodynamic configurations and operation parameters in a given application. The impact of 3D effects associated to the blade aspect ratio and the use of end-plates is also investigated. Optimal radius-based solidity is found to be around o = 0:2. In 3D, a small blade aspect ratio (AR = 7) leads to a relative efficiency drop of nearly 60% compared to the 2D prediction. Longer blades improve the 3D efficiency greatly. End-plates are found to have a positive effect on power extraction performances, as long as their size and thus their drag is limited. The optimization study showed a great potential of efficiency improvement for turbines with “average” solidities around o = 0:5, using variable blade pitch. 2D efficiencies almost reached Betz’ limit, and the 3D efficiency reductions were consistent with the observations on fixed-pitch turbines. Helical turbines which effectively smooth the torque fluctuations are shown to have a decreased efficiency compared to the same turbine with straight blades. This is the result of the spanwise propagation of the separation bubble on one part of the blade to the other parts that wouldn’t otherwise encounter stall. Reducing the helical angle can help lower this propagation effect. Multiple-section turbines retain the advantages of straight blade turbines, including the ability of using a dynamic pitch control, and can be configured to lower the torque fluctuations in a similar manner as increasing the number of blades but without increasing the turbine solidity. However, smaller blade elements lead to larger 3D losses, thus limiting the number of dephased turbine elements possible in a given extraction window.

Les technologies de contrôle modernes ont reçu beaucoup d’attention depuis les trente dernières années et avec elles revient un intérêt grandissant envers les fluides magnétorhéologiques et les applications connexes. Cet ouvrage porte sur le développement d’un outil de conception et d’optimisation d’embrayages magnétorhéologiques à disques pour les produits de nouvelle génération. D’abord, un modèle d’écoulement de fluide magnétorhéologique est implémenté dans le logiciel COMSOL®, un outil de résolution numérique basé sur la méthode des éléments finis. Le comportement liquide du fluide magnétorhéologique est évalué à partir du modèle viscoélastique de Casson, où la contrainte d’écoulement et la viscosité varient avec le taux de déformation et la densité de flux magnétique dans le fluide. L’implémentation numérique s’appuie également sur l’approche de Bercovier-Engelman, c’est-à-dire que le comportement solide du fluide est pris en compte par un liquide très visqueux. La symétrie de révolution de l’embrayage est alors exploitée pour ramener la définition du problème à un espace bidimensionnel et les équations qui en découlent sont introduites dans COMSOL® sous leur forme faible. Ultimement, la résolution du profil de vitesses en régime permanent dans l’interface de fluide permet de calculer le couple transmis. Par la suite, un modèle d’embrayage magnétorhéologique à disques est développé afin de prédire les caractéristiques (masse, couple, température, etc.) d’embrayages quelconques définis à partir de paramètres décrivant leur géométrie simplifiée, leurs matériaux et leur source d’alimentation électrique. Le modèle d’écoulement établi au préalable dépend de la densité de flux magnétique qui est alors évaluée dans COMSOL®. Ce dernier est également utilisé pour estimer la température de l’embrayage qui s’avère déterminante lors de son dimensionnement. Enfin, une séquence d’optimisation basée sur les prédictions du modèle d’embrayage magnétorhéologique est mise en place avec l’objectif de maximiser le couple massique. Pour mieux comprendre l’impact qu’ont certains paramètres sur les performances et mieux orienter la recherche, l’espace de solution est d’abord exploré de façon aléatoire. Un algorithme évolutionniste permet alors de mettre au jour une conception optimisée pour les besoins spécifiques du projet. / Modern day control technologies have received much attention since the last thirty years and with them comes a growing interest in magnetorheological fluids and related applications. This work focuses on the development of a design and optimization tool for magnetorheological disc clutch, aimed toward next generation products. First, a flow model of magnetorheological fluid is implemented in COMSOL®, a numerical resolution tool, based on the finite element method. The liquid behavior of the magnetorheological fluid is evaluated based on Casson’s viscoelastic model, where the yield stress and the viscosity vary with the rate of deformation and the magnetic flux density in the fluid. The numerical implementation is also based on Bercovier-Engelman’s approach, that is to say, the solid behavior of the fluid is taken into account by a highly viscous liquid. The axial symmetry of the clutch is then exploited to bring the definition of the problem to a two-dimensional space and the resulting equations are introduced into COMSOL® under their weak form. Ultimately, the resolution of the steady-state velocity profile in the fluid gap is used to calculate the transmitted torque. Thereafter, a magnetorheological disc clutch model is developed to predict the characteristics (mass, torque, temperature, etc.) of any clutches defined from parameters describing their simplified geometry, their materials and their electrical source. The flow model previously established depends on the magnetic flux density, which is therefore evaluated in COMSOL®. The latter is also used to estimate the temperature of the clutch, a decisive factor in sizing. Finally, an optimization sequence based on the predictions of the magnetorheological clutch model is set up with the aim of maximizing the torque-to-weight ratio. To better understand the impact of some parameters on the performance and better orient the search, the solution space is first explored randomly. An evolutionary algorithm is then used to bring foward an optimized design for the specific needs of the project.

Dans le cadre d'un projet sur la mesure du potentiel électrocinétique en régime dynamique, un montage a été conçu afin d'étudier ce phénomène. L'objectif global de ce projet consistait à concevoir un système qui permettrait la pulsation du fluide à travers un échantillon à très haute fréquence et la mesure de la différence de potentiel et de la différence de pression générée. Ce mémoire présente donc la conception, la fabrication et la caractérisation des différents systèmes servant à l'étude de ce phénomène. Dans un premier temps, une explication plus exhaustive du phénomène électrocinétique est présentée afin de bien comprendre les paramètres qui sont en jeu. Dans un second temps, une revue de littérature portant sur les différents systèmes conçus antérieurement est décrite, et ce, dans le but de les étudier afin d'en retirer un maximum d'informations pouvant être intéressantes pour la réalisation des nouveaux montages. Ensuite, une étude sur différents concepts de solution a été réalisée dans le but de déterminer la topologie à adopter pour la conception d'un premier montage. Des essais expérimentaux ont permis de mesurer la réponse en fréquence pour des échantillons non consolidés et de valider les choix technologiques pour l'étude en régime dynamique dont : le système de pulsation, les composantes électroniques et l'instrumentation. Finalement, un second concept à échantillon consolidé est présenté ainsi que des essais expérimentaux. Les essais ont permis de démontrer l'étendue de fréquence pouvant être atteinte ainsi que les limites d'une solution à pot vibrant.

Les turbines hydrauliques sont devenues un atout important pour la régulation de la puissance sur les réseaux électriques. Cependant, les scénarios de régulation de puissance exigent que les turbines fonctionnent loin de leurs points d'opération optimale, dans des régions où de grandes uctuations de pression peuvent affecter l'intégrité structurale de la turbine. Cette thèse présente des contributions a l'etude de l'hydrodynamique de l'écoulement dans une turbine helice modele fonctionnant dans des conditions de charge partielle et de vitesse-sans-charge. À charge partielle, les fluctuations de pression principales sont associées à un vortex cavitant. Des mesures provenant de Vélocimétrie par Imagerie de Particules (PIV) couplées à des techniques de fluorescence induite par laser et d'ombroscopie ont été utilisées pour reconstruire l'interface eau-vapeur et identier l'origine de fluctuations aectant la précision des mesures de PIV moyennées en phase. De plus, des capteurs de pression miniatures incorporés dans deux aubes de la roue ainsi que des jauges de deformation montées sur les aubes ont fourni des données pour quantier l'impact du vortex de charge partielle sur la turbine. Cette thèse présente également l'une des premieres etudes detaillees sur les conditions transitoires et sans charge dans une turbine modèle. Les capteurs de pression et de déformation sur les aubes ont ete utilisés pour identier les instabilités dominantes dans des conditions de vitesse sans charge et d'emballement. Des simulations basées sur la technologie Scale Adaptive Simulations (SAS) de la condition de vitesse-sans-charge ont été utilisés pour étudier un décrochage tournant dans la roue. Des simulations sans les aubes indiquent que le décrochage tournant est associé à une couche cisaillée provenant d'une recirculation autour du moyeu de la roue et d'une séparation de la couche limite sur le fond supérieur. / Hydraulic turbines have become an important asset to provide power regulation on electrical grids. However, power-regulation scenarios require turbines to operate far from their best eciency conditions, in regions where large pressure uctuations aect the turbine structural integrity. This is particularly acute for xed blade reaction turbines such as propeller units. This thesis presents contributions to the study of the hydrodynamics of the ow in a model propeller turbine operating in part-load and speed-no-load conditions. In part load, the main pressure uctuations are associated with the part-load vortex. Data from Particle Image Velocimetry (PIV), coupled to Laser Induced Fluorescence and shadowgraphy techniques, were used to reconstruct the water-vapour interface and to identify the origin of uctuations aecting the precision of the phase-averaged PIV measurements. Furthermore, miniature pressure transducers imbedded in two runner blades and strain gages at the blade roots provided data to quantify the impact of the part load vortex on the runner. This thesis also presents one of the rst detailed studies on transient and no-load conditions in a model hydro-turbine. Pressure and strain sensors were used to identify the dominant ow instabilities in speed-no-load and runaway conditions. Scale Adaptive Simulations (SAS) of the speed-no-load condition were used to study a rotating stall dominating the runner ow. Simulations without runner blades indicate that the rotating stall is associated with an unstable shear-layer originating from a recirculation around the runner hub and a boundary layer separation on the turbine head cover. Those results open the possibility of eventually developing mitigation techniques.

Ce travail de recherche a pour objectif de caractériser les pièces de la roue et de la trompette d’une turbine bulbe à partir d’un modèle réel. Suite à la reconstruction du modèle numérisé de la roue, cette géométrie sert de base pour le développement d’une aube instrumentée pour des mesures de pression. Un appareil de mesure laser sans contact est utilisé conjointement avec un bras de mesure portable de précision afin de récupérer les géométries du modèle sous forme de nuages de points. Ils sont ensuite traités dans un modeleur 3D afin d’obtenir la géométrie numérisée. Des analyses de déviations sont effectuées pour valider les modèles informatiques, quantifier les déviations et le respect de la norme CEI60193 par la roue. Une aube de roue instrumentée avec capteurs de pression embarqués est finalement développée pour investiguer les fluctuations de pression sur la roue en régime permanent et transitoire. / This research work deals with the geometry recovery of the runner and the draft tube of a bulb turbine, based on the real scale model. Once the geometry recovery of the runner completed, this computerized geometry allows to design an instrumented blade with embedded pressure sensors. A non-contact laser scanner on a precision measuring arm is used to create precise and detailed point clouds of the runner and draft tube geometries. Then, these point clouds are processed in a computer-aided design (CAD) software, in order to achieve a precise computerized geometry of the model. Deviation analyses allow to quantify the deviations so as to validate the CAD geometries and the IEC60193 standard agreement for the runner. Finally, a new instrumented blade with thirty embedded pressure sensors is developed so as to investigate pressure fluctuations in the runner in constant and transient operating conditions.

Dans le domaine de la robotique les robots parallèles sont contraints à des tâches très spécifiques en comparaison avec leurs homologues sériels à cause de leur espace de travail plus restreint. L'objet de ce sujet de maitrise est de présenter une architecture de robot parallèle dont l'espace de travail est agrandi par l'introduction d'une redondance cinématique dans son architecture pour le cas plus particulier des robots sphériques. La première partie du mémoire présente l'architecture du robot sphérique. Son modèle cinématique est décrit puis les variables et paramètres qui seront utiles pour les calculs et analyses sont introduits. Les relations cinématiques entrée-sortie sont présentées au travers des matrices Jacobiennes du robot et le concept de singularité est discuté à la fin de cette partie. Les deux phénomènes limitant l'espace de travail sont principalement les interférences mécaniques, ce qui se comprend facilement, et les singularités. Ce qu'on appelle singularité dans le contexte des architectures robotiques sont des configurations du robot où des mobilités entrantes ou sortantes sont inopérantes. Puis, dans la seconde partie, on s'intéresse à l'équivalent architectural du robot présenté dans la première partie auquel la partie redondante a été retirée dans le but de mesurer l'impact de l'introduction de la redondance cinématique sur l'espace de travail du robot. L'architecture du robot simple est alors brièvement présentée, puis les configurations singulières de ce robot sont analysées par deux méthodes différentes : une méthode numérique et une méthode géométrique. Ensuite dans la troisième partie une analyse des lieux des singularités de l'architecture redondante est présentée et quelques contraintes architecturales intéressantes au regard de l'analyse des singularités précédente sont discutées. Les effets de l'introduction de la redondance cinématique sur l'espace de travail sont discutés à la fin de cette partie en analysant les résultats précédents. Dans la quatrième partie on s'intéresse à la résolution du problème géométrique inverse du robot. La redondance cinématique fait que pour une pose spécifique de l'effecteur du robot il existe une infinité de solutions pour les coordonnées articulaires. Dans ce chapitre on explore plusieurs choix possibles pour les coordonnées articulaires, les avantages et inconvénients de plusieurs méthodes sont évalués, puis un exemple de suivi de trajectoire est présenté. Enfin le problème des interférences mécaniques est discuté, notamment son influence sur l'espace de travail du robot. La dernière partie concerne l'élaboration d'un prototype de test pour le robot sphérique redondant. Les différents choix de designs faits, le dimensionnement des actionneurs ainsi que plusieurs problèmes spécifiques sont présentés.

Ces présents travaux de recherche portent sur le développement de nouveaux capteurs de déplacements à fibre optique monomode a modulation d'intensité causée par la présence de désalignements entre les fibres. À partir d'un fondement théorique rigoureux, des nouveaux principes de fonctionnement de capteurs sont développes. Des modèles analytiques d'efficacité de couplage optique entre faisceaux gaussiens sont utilisés. Un modèle basé sur une expression plus juste du mode de propagation fondamental de la fibre monomode et sur le phénomène de propagation d'un champ optique dans l'air libre est aussi développé à l'aide de la méthode de l'intégrale de recouvrement. Les performances expérimentales de deux capteurs sont évaluées et des directives de conception sont proposées. Ces capteurs sont caractérisés par un comportement linéaire, des possibilités de mesure multidimensionnelle, des performances adaptables a différentes applications et l'évitement des désavantages classiques des capteurs à modulation d'intensité. Une étude principalement théorique de quelques autres solutions est également réalisée. / The present research work relates to the development of novel fiber optic displacement sensors based on intensity modulation caused by the presence of misalignments between single-mode fibers. Starting from a rigorous theoretical base, working principles of new sensors are developed. Analytical models for the optical coupling efficiency of gaussian beams are used. A model based on a better expression of the fundamental propagation mode of single-mode fibers and on the optical field propagation phenomenon is developed using the overlap integral method. The experimental performances of two sensors are evaluated and design guidelines are proposed. These sensors are characterized by a linear behavior, possibilities of multidimensional measurement, adaptable performances to various applications and the avoidance of the classical drawbacks of intensity modulation based fiber optic sensors. A mainly theoretical study of other sensors is also achieved.

Les préhenseurs robotiques sont largement utilisés en industrie et leur déploiement pourrait être encore plus important si ces derniers étaient plus intelligents. En leur conférant des capacités tactiles et une intelligence leur permettant d’estimer la pose d’un objet saisi, une plus vaste gamme de tâches pourraient être accomplies par les robots. Ce mémoire présente le développement d’algorithmes d’estimation de la pose d’objets saisis par un préhenseur robotique. Des algorithmes ont été développés pour trois systèmes robotisés différents, mais pour les mêmes considérations. Effectivement, pour les trois systèmes la pose est estimée uniquement à partir d’une saisie d’objet, de données tactiles et de la configuration du préhenseur. Pour chaque système, la performance atteignable pour le système minimaliste étudié est évaluée. Dans ce mémoire, les concepts généraux sur l’estimation de la pose sont d’abord exposés. Ensuite, un préhenseur plan à deux doigts comprenant deux phalanges chacun est modélisé dans un environnement de simulation et un algorithme permettant d’estimer la pose d’un objet saisi par le préhenseur est décrit. Cet algorithme est basé sur les arbres d’interprétation et l’algorithme de RANSAC. Par la suite, un système expérimental plan comprenant une phalange supplémentaire par doigt est modélisé et étudié pour le développement d’un algorithme approprié d’estimation de la pose. Les principes de ce dernier sont similaires au premier algorithme, mais les capteurs compris dans le système sont moins précis et des adaptations et améliorations ont dû être appliquées. Entre autres, les mesures des capteurs ont été mieux exploitées. Finalement, un système expérimental spatial composé de trois doigts comprenant trois phalanges chacun est étudié. Suite à la modélisation, l’algorithme développé pour ce système complexe est présenté. Des hypothèses partiellement aléatoires sont générées, complétées, puis évaluées. L’étape d’évaluation fait notamment appel à l’algorithme de Levenberg-Marquardt.

Afin de contribuer au développement des connaissances et de l’industrie des énergies renouvelables hydrocinétiques, un nouveau projet de recherche à long terme a débuté récemment au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Ce projet porte sur l’optimisation de la configuration des parcs de turbines hydroliennes. Comme les techniques de modélisation se rapportant aux parcs de turbines n’ont été que peu étudié au LMFN par le passé, les objectifs du présent travail sont d’identifier une méthodologie de modélisation numérique permettant l’étude de parcs hydroliens à coût de simulation raisonnable et d’en vérifier la fiabilité. Inspirée de modèles numériques retrouvés dans la littérature scientifique disponible, une approche originale a été développée. Elle porte le nom de Effective Performance Turbine Model, ou EPTM. La fiabilité de cette approche de modélisation est évaluée par rapport à sa capacité à prédire correctement les performances moyennes des turbines ainsi que leur sillage. Des résultats de simulations numériques « haute-fidélité » qui incluent à grand coût la géométrie complète des turbines sont utilisés en guise de référence. La comparaison des prédictions de l’EPTM avec les résultats de référence démontre que cette approche de modélisation est appropriée tant pour les turbines à axe horizontale que celles à axe vertical opérant dans des conditions d’écoulement propre. En effet, de très bonnes prédictions de la vitesse de rotation optimale de la turbine, de son chargement moyen et de la puissance extraite sont obtenues avec l’EPTM. Le modèle permet aussi de bonnes prédictions du sillage rapproché de chacune des turbines étudiées. Par contre, l’approche stationnaire de modélisation de la turbulence utilisée au sein des simulations de l’EPTM se montre inefficace dans certains cas. De possibles raffinements au modèle sont discutés en guise de conclusion. / In order to contribute to the development of the hydrokinetic power industry, a new line of research has been initiated recently at the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. It is related to the optimization of turbine farm layouts. As the numerical modeling of turbine farms has been little investigated in the past at the LMFN, the objectives of this work are to develop a numerical methodology that will allow the study of turbine farm layouts at reasonable simulation cost and to verify its reliability. Inspired from numerical models found in the available literature, an original modeling approach is developed. This modeling approach is referred-to as the Effective Performance Turbine Model, or EPTM. The EPTM reliability is assessed in terms of its capacity to predict correctly the mean performances and the wake recovery of the turbines. The results of “high-fidelity” CFD simulations, which include at high cost the complete rotor geometry, are used as a reference. Results of the performance assessment show that the EPTM approach is appropriate for the modeling of both axial-flow (horizontal-axis) turbines and cross-flow (vertical-axis) turbines operating in clean flow conditions. Indeed, the EPTM provides very good predictions of the value of the optimal angular speed at which the rotor should be rotating to operate near maximum power extraction, the magnitude of the mean forces acting on the turbine and the mean power it extracts from the flow. The EPTM also succeeds to generate the adequate nearwake flow topology of each of the reference turbine investigated. However, the steady turbulence modeling approach used in the EPTM simulations appears inadequate in some cases. Possible model improvements are discussed as a conclusion.

Ce mémoire traite du développement et de la réalisation d'un robot mobile marcheur à six pattes : Hexapode. Tant la conception mécanique que celle du contrôleur utilise des principes biomimétiques, s'inspirant de la fourmi. Le développement de ce robot permet l'étude théorique et la concrétisation expérimentale de concepts menant à des démarches stables et efficaces. La notion de polygone de support et de retour permet de gérer adéquatement les paramètres de stabilité. Des critères de performance tels que la mobilité, l'autonomie et l'adaptabilité sont utilisés pour parvenir à générer les idées et les concepts derrière cette plate-forme. Les étapes préalables à la fabrication du robot ainsi que le prototype final, Hexapode, qui a été construit sont décrits. L'équilibrage statique du robot a été effectué afin de diminuer la consommation énergétique. La programmation hiérarchique qui se décompose en couche d'interface matérielle, de couche de coordination et de couche décisionnelle permet la gestion des déplacements, des séquences de fonctionnement et la prise de décision pour permettre au robot de mieux faire face à l'environnement dans lequel il évolue. Les applications où Hexapode se démarquerait sont celles qui requièrent la dextérité propre à l'exploration de terrain, ceci pourrait inclure des tâches spatiales ou terrestres.