Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'exploitation de l'énergie éolienne est à l'heure actuelle en pleine expansion et plusieurs sites exploités sont situés dans régions où les conditions climatiques hivernales sont extrêmes. Les données fournies par les anémomètres, qui sont indispensables au bon fonctionnement des éoliennes, sont souvent inutilisables à cause de la formation de glace sur les instruments. Le bureau de design du département de génie mécanique de l'université Laval s'est donc intéressé à la conception d'un nouvel anémomètre antiglace. L'objectif spécifique au présent travail était de développer un système de contrôle du chauffage de ce nouvel anémomètre anti-glace lui permettant de rester libre de glace tout en minimisant le chauffage nécessaire pour y parvenir. La conception d'une chambre de simulation des conditions climatiques s'est tout d'abord avérée nécessaire. Il s'agit d'une enceinte réfrigérée comprenant une section d'essai balayée par un écoulement d'air généré par un ventilateur. Un atomiseur d'eau situé à l'intérieur de l'enceinte permet de simuler les précipitations. En faisant varier les paramètres dans la chambre, comme la température, différents types de glace peuvent être formés. Par la suite, un algorithme de reconnaissance du type de glace sur les coupoles a été développé. Une image de l'anémomètre est prise en synchronisme avec le mouvement du rotor afin de visualiser les coupoles dans la même orientation sur chaque prise de vue. Cette image est ensuite traitée par un réseau de neurone qui détermine le type de glace présent sur les coupoles. Par la suite, un deuxième paramètre, soit la proportion de glace recouvrant les coupoles, est déterminé en fonction du type de glace reconnu. Finalement, les données fournies par le système de reconnaissance du type de glace sont utilisées pour le contrôle du chauffage de l'anémomètre. Le système comprend un contrôleur neuronique qui détermine la puissance à envoyer aux coupoles pour conserver l'instrument libre de glace. La décision est basée sur l'état de glace actuel ainsi que sur l'historique de l'état de glace ct du chauffage appliqué. L'un des avantages du contrôleur neuronique utilisé est la poursuite de la phase d'apprentissage en cours d'utilisation, permettant au réseau d'adapter sa réponse aux nouvelles situations rencontrées. Des essais comparatifs ont permis de conclure que le contrôleur développé permet une économie d'énergie moyenne de 40% par rapport à des contrôleurs traditionnels pour un comportement anti-glace équivalent.

L'objectif de ce projet est d'effectuer la conception et la mise en opération de la nouvelle installation supersonique à haute température en cours de construction au centre de Recherche et développement pour la défense Canada -Valcartier (RDDC Valcartier). Les étapes ayant permis de mener ce projet à bien peuvent être divisées en deux catégories : design et expérimentations. La catégorie ± design ¿ regroupe les étapes de conception et d'usinage des divers éléments ayant été développés au cours de cette maîtrise. Une tuyère axisymétrique supersonique Mach 2.6 a été développée spécifiquement pour les essais de rodage de cette installation. Le design de la tuyère a requis le développement d'un code de calcul de son profil par la méthode des caractéristiques, quelques simulations numériques par mécanique des fluides numériques (MFN ou CFD en anglais), son usinage ainsi que son rodage sur l'installation. Les diverses techniques de mesures et de diagnostic choisies pour le rodage de l'installation ont également requis le design de quelques éléments. Combinant un râteau de tubes de Pitot, un coin de 10° de demi-angle et des prises de pressions statiques, une multisonde, a été conçue, validée sommairement par MFN, usinée, testée et améliorée. Les techniques de strioscopie ont quant à elles requis le design de supports de miroirs précis et stables, ainsi qu'un système de pont glissant pour la cellule d'essai. Quant à la catégorie expérimentation, elle regroupe tous les essais réalisés au cours de cette maîtrise. Certains des éléments, déjà en place à RDDC Valcartier au début de cette maîtrise, n'ont été mis en marche qu'au cours de cette maîtrise. Chaque élément conçu a été testé en phase de rodage. Cependant, pour des raisons de délais d'usinage, pratiquement chaque élément a été testé indépendamment des autres. Par exemple, les tests de pressions avec la multisonde n'ont pas pu être réalisés en même temps que les essais de strioscopie. Étant donné que certains éléments critiques de l'installation pour l'alimentation en air n'ont pas été reçus avant la fin de cette maîtrise, les conditions de design de la tuyère Mach 2.6 n'ont pu être atteintes. Combinant cela avec le fait que chaque élément a été testé indépendamment, il a été impossible d'effectuer un diagnostic valable de l'installation. Cependant, au final, la majorité des éléments de l'installation sont prêts pour leur utilisation. Certaines problématiques rencontrées lors de la mise en marche de l'installation ont trouvé des solutions, alors que d'autres doivent encore être trouvées. Le diagnostic final devra cependant attendre l'arrivée des derniers éléments.

Le travail présenté dans ce mémoire constitue une nouvelle approche, dite de domaines fictifs, pour la simulation de l'interaction d'un fluide incompressible et d'un solide rigide, qu'il soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d'un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte et un couplage fin à l'interface. Nous avons aussi développé des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide. Les résultats numériques présentés attestent de la validité des outils développés.

L'étirage à froid de tubes est un procédé déjà bien connu. Il est utilisé afin de réduire le diamètre extérieur d'un tube tout en calibrant de façon précise l'épaisseur finale de ce dernier. Généralement, le tube brut est passé à travers une matrice qui réduit son diamètre et l'épaisseur du tube est imposée par l'utilisation d'un mandrin interne. Certains éléments de structure en aluminium qu'on retrouve dans les voitures, dans les avions ou encore dans d'autres moyens de transport, nécessitent l'utilisation de l'hydroformage étant donné leur géométrie complexe. Il peut être alors intéressant d'utiliser des tubes dont l'épaisseur de paroi varie afin de minimiser les risques de rupture lors de l'hydroformage dans les zones où l'amincissement est très important. On présente dans ce mémoire les étapes qui ont mené à la conception d'un banc d'essais afin de pouvoir mettre en forme des tubes en aluminium à paroi variable. Le principe de fonctionnement de la machine d'étirage consiste à tirer un tube à travers une matrice permettant le calibrage du diamètre extérieur final du tube. Pour faire varier l'épaisseur de la paroi du tube, on utilise un mandrin interne qui se déplace dans l'axe du tube selon les paramètres géométriques du tube désiré. Ainsi, selon le déplacement du mandrin, il est possible d'amincir la paroi du tube et d'obtenir un tube dont l'épaisseur de paroi varie sur sa longueur. Des essais mécaniques préliminaires ont été complétés afin de valider le bon fonctionnement du banc de test. Les premiers résultats nous montrent qu'il est possible de faire varier l'épaisseur de la paroi d'un tube. Cependant des essais plus exhaustifs seront nécessaires d'abord pour étudier en profondeur l'effet de différents paramètres sur le produit final mais aussi afin de mieux contrôler le procédé.

Ce présent ouvrage porte sur la conception d'un système récupérateur d'énergie vibratoire basé sur le phénomène magnétostrictif. Une analyse des différentes technologies de récupération vibratoire existantes est d'abord présentée et permet de démontrer le fort potentiel de la récupération énergétique par magnétostriction. Le phénomène magnétostrictif est alors décrit théoriquement et analytiquement par le biais des lois et courbes de comportement qui permettent ainsi d'extraire une zone comportementale efficace. Un générateur de récupération d'énergie vibratoire qui utilise les paramètres et limites de cette zone de comportement est ensuite conçu. Ce récupérateur est modélisé en circuit ouvert par Bond Graph et les résultats de la simulation sont validés par un modèle éléments finis via une analogie avec la piézoélectricité. Le modèle Bond Graph ainsi validé permet alors de simuler la récupération d'énergie au travers d'une charge électrique résistive qui simule la partie électrique du récupérateur. Un générateur réel est finalement conçu et usiné et ses performances expérimentales en circuit ouvert sont évaluées et comparées à celles obtenues par la modélisation. Les points d'opérations optimaux théoriques et pratiques sont différents, ces différences étant causées par une modélisation s'appuyant sur le régime statique. Malgré cela, le prototype expérimental de récupérateur magnétostrictif parvient à générer une puissance électrique moyenne d'environ 70 à 80 mW à une fréquence de 850 Hz. Ainsi, ce récupérateur est, à la connaissance de l'auteur, le premier générateur à magnétostriction à récupérer autant de puissance de manière autonome.

La maîtrise effectuée au laboratoire de Combustion de l'Université Laval s'est inscrite dans un projet de conception d'un nouveau système de combustion pour de petites turbines à gaz, intégrant un atomiseur rotatif dénommé atomiseur fronde ou plus communément slinger. Ce projet est proposé et en partie financé par Pratt & Whitney Canada (P&WC). L'objectif final est de fournir un système d'injection de carburant simple, peu coûteux, léger et efficace, grâce à la suppression - permise par l'atomiseur rotatif centrifuge - de la pompe à carburant à haute pression. La maîtrise se situant dans la première phase du projet, les travaux réalisés se sont donc concentrés au niveau de la section interne de l'atomiseur où le carburant est encore sous forme de jet puis de film liquide, c'est-à-dire avant sa désintégration dans la zone primaire de la chambre de combustion. Les objectifs propres à cette maîtrise comprenaient : (1) la modélisation analytique du système d'alimentation du carburant dans la cavité au regard des phénomènes physiques s'y déroulant (chute de pression, écoulement transversal), (2) la modélisation par Mécanique des Fluides Numérique (MFN) du film liquide sur la paroi de l'atomiseur en rotation dans le but d'évaluer l'épaisseur de film (paramètre influençant directement la qualité de Tatomisation et dès lors la future combustion) avant Tatomisation. Concernant le système d'alimentation en carburant, une configuration optimale en termes de nombre, de diamètre et de forme de trous a été déterminée en garantissant théoriquement un jet jusqu'à impact sur l'atomiseur. Quant aux simulations numériques exécutées avec le code de calcul FLUENTMD, elles ont abouti à la validation du code vis-à-vis de la prédiction de l'épaisseur de film liquide se développant sur un disque plat rotatif. Une légère sous-estimation systématique a été observée due à la non prise en compte de l'effet de glissement dans le code. Enfin, diverses simulations sur la géométrie réelle simplifiée proposée par P&WC ont servi à déceler certaines limitations du code, reliées à l'effort numérique conséquent imposé par le modèle multiphase Volume de Fluide (VOF ou Volume of Fluid). Le présent mémoire se termine sur une série de recommandations pour les futures recherches, dans l'optique d'obtenir à terme un outil numérique fiable à l'égard de la prédiction de l'épaisseur de film liquide sur la surface rotative de l'atomiseur fronde.

Dans ce travail de maîtrise, nous avons exploité l'approche de modélisation et de simulation proposée par la Dynamique des Systèmes (DS). La DS définit tout système complexe comme une structure, dont les composants sont interconnectés par des relations de causalité. Les modèles de la DS sont basés sur les concepts d'interaction, de rétroaction et de complexité. Cette méthodologie permet de comprendre et de simuler le comportement dynamique d'un système complexe et de mettre en évidence les facteurs structurels ayant un impact sur les performances et la résilience de ce dernier. Elle permet ainsi de comprendre le pourquoi et le comment de l'évolution de ce système dans le temps en vue de modifier et d'améliorer son fonctionnement. La DS permet également d'analyser l'impact d'une prise de décision sur l'évolution du système permettant ainsi d'étudier divers scénarios et stratégies organisationnels. Dans ce mémoire, nous avons utilisé la DS comme approche de modélisation et de simulation à l'amélioration des processus de prise de décision dans le cadre des aides à la mobilité et notamment au projet ± d'attribution, de valorisation et de maintenance des fauteuils roulants ¿ pour le compte de l'Institut de Réadaptation en Déficience Physique de Québec (IRDPQ). Nous avons ainsi analysé le cycle de vie d'une aide à la mobilité, proposé un modèle de simulation qui tient compte de la maintenance préventive. Dans ce modèle, nous avons également analysé l'évolution du stock de fauteuils roulants et avons présenté l'évolution de ce flux en termes de défauts par semaine afin de montrer l'incidence de la stratégie de maintenance adoptée à la réduction du nombre de pannes et par conséquent, à l'amélioration de la fiabilité de ces équipements. Notre étude a notamment montré que la fiabilité des équipements peut être améliorée tout en réduisant les actions de maintenance inutiles par la prise en compte d'une maintenance intelligente qui permettra de réduire la fréquence des pannes.

Il a été noté que les approches de planification forestière au niveau stratégique ont traditionnellement ignoré l'interaction avec le reste de la chaîne de valeur [57]. En effet, bien que les décisions prises à ce niveau soient à l'heure actuelle supportées par des modèles d'approvisionnement forestier, elles portent peu d'attention à la valeur et aux coûts des produits forestiers, aux capacités de transformation et à la localisation des usines et des marchés [27]. Afin de faciliter l'intégration de ces éléments dans la planification forestière, ce mémoire propose un formalisme de représentation et de description des unités d'affaires, des produits, des flux de matière, des processus et des marchés. Le modèle proposé dans ce mémoire a comme objectif de supporter la planification stratégique dans l'industrie forestière.

Les robots sous-actionnés entraînés à l'aide de câbles permettent de combiner les avantages du sous-actionnement (peu d'actionneurs, simplicité) et de l'utilisation des câbles (agilité, légèreté, grand espace de travail) afin de réduire les coûts d'opération des tâches de manipulation et de manutention. Puisqu'il s'agit d'une des premières études sur le sujet, l'objectif de de ce mémoire est d'établir les bases nécessaires à la commande de tels robots à travers un mécanisme simple. Le mécanisme étudié est un robot combinant les aspects d'un pendule double à ceux d'un pendule de longueur variable, possédant trois degrés de liberté et seulement deux actionneurs. Ce dernier peut atteindre différents objectifs (position et orientation) successivement en oscillant tel un enfant sur une balançoire. Les analyses cinématique et dynamique sont d'abord présentées et validées à l'aide de simulations numériques. Puis, les différentes méthodes de planification de trajectoire sont discutées et une planification incluant des trajectoires paramétriques pour les articulations actionnées et un algorithme d'optimisation pour la liaison libre est retenue. La précision et la robustesse de la commande sont finalement démontrées à l'aide d'un robot virtuel et, enfin, d'un prototype. Au meilleur de nos connaissances, il s'agit des premiers travaux présentant la commande en temps réel de tels systèmes.

La présente étude porte sur l'optimisation de systèmes thermiques servant soit à récupérer de la chaleur ou à produire de la chaleur ou du froid. Essentiellement, le travail portera sur les condenseurs de type tubes et calandre, sur les réseaux d'échangeurs de chaleur ainsi que sur les systèmes de production d'eau froide. L'objectif ultime est de développer une méthode permettant de déterminer le design minimisant les coûts reliés à l'achat et à l'opération de ces systèmes thermiques. Pour atteindre cet objectif, on doit d'abord créer un modèle mathématique permettant de calculer les surfaces d'échanges requises et les puissances de pompage requises pour faire fonctionner un échangeur de chaleur. Basé sur des relations analytiques et empiriques, le modèle doit tenir compte des variables design considérées dans le problème, soit une dizaine de paramètres géométriques et le régime d'opération. Il s'agit d'identifier les valeurs à accorder à chacune de ces variables de design afin de faire le meilleur compromis entre la minimisation des surfaces d'échange de chaleur requises et la quantité d'énergie requise pour faire fonctionner les systèmes. Autrement dit, on cherche à minimiser le coût total, constitué du coût d'achat du matériel et des coûts d'opération. Une fois cette démarche réalisée pour le condenseur à tubes et calandre, on applique une méthode similaire pour optimiser une série d'échangeurs de chaleur dans le cas des réseaux d'échangeurs de chaleur et finalement pour un cycle de réfrigération composé de deux échangeurs, un condenseur et un évaporateur, ainsi qu'un compresseur. Étant donné le nombre important de variables de design considéré pour chacun de ces problèmes, le nombre total de design possible est trop élevé pour calculer le coût de chacun d'entre eux et choisir le meilleur. Cela serait trop coûteux en temps de calcul. C'est pourquoi nous ferons appel à l'utilisation d'algorithmes génétiques. Ces derniers nous permettront d'identifier avec une excellente probabilité le design optimal et ce, dans un laps de temps acceptable en pratique. La méthode est finalement validée grâce à des exemples d'application.