Ce mémoire expose les différentes opportunités d'implantation de matériaux à changement de phase (PCM) dans des zones thermiques intégrées à des bâtiments. Les avantages inhérents à l'emploi de PCM sont analysés dans l'optique de réduction de la consommation d'énergie dans les systèmes CVAC (Chauffage, Ventilation et Air Conditionné). Le travail est divisé en deux parties renvoyant chacune à un article scientifique. Le premier article analyse les impacts et les bénéfices de galvaniser la masse thermique d'une zone en y incluant des PCM. L'étude illustre en premier lieu l'influence prépondérante de l'inertie thermique sur les performances thermiques de la zone, et les possibilités d'optimisation qui en découlent. L'ajout de PCM dans la zone est ensuite formellement optimisé pour deux cas de figure distincts, à savoir l'imposition de conditions climatiques idéalisées ou réelles à la zone. Pour ces deux contextes, on démontre qu'intégrer à la surface de la zone une quantité de PCM correspondant à une fraction de son épaisseur, à une température de fusion d'environ 26°C, augmente significativement les performances de la zone (20% en moyenne). Les calculs sont effectués selon trois fonctions objectives différentes, dont la complexité et la perspective d'optimisation varient. Le chapitre suivant, où le deuxième article est présenté, étend l'analyse décrite ci-dessus à une zone tridimensionnelle. Autrement dit, il est possible d'intégrer du PCM sur le plancher, les murs, le plafond et la façade de la zone à l'étude. Les dimensions, la fenestration, la composition et l'orientation de la zone sont entièrement modulables ; dans le cadre de ce chapitre, l'analyse est restreinte à un cas particulier et démontre que si elle est judicieusement incluse, une faible quantité de PCM peut avoir des retombées énergétiques considérables sur les performances thermiques de la zone. À l'inverse, certaines configurations où l'on inclut du PCM s'avèrent peu performantes et même en deçà des résultats observés sans PCM. Ce travail conjugue une compréhension fondamentale des PCM avec une analyse scientifique rigoureuse, de manière à montrer l'étendue du potentiel de ces matériaux.

Cette thèse porte sur l'écoulement à l'intérieur d'une turbine de type Hélice. Deux méthodes de mesures ont été utilisées afin de remplir les objectifs de l'étude. La précision des instruments et l'incertitude des mesures effectuées à l'aide d'outils de vélocimétrie laser tels que la vélocimétrie Doppler laser (LDV) et la vélocimétrie par images de particules (PIV) ont été analysées. Trois phénomènes principaux sont étudiés à l'aide du LDV et du PIV. Le premier porte sur le débalancement circonférentiel de l'écoulement dans toute la machine. Le second porte sur les interactions rotor-stator se produisant entre les directrices et les aubes de la roue. Le troisième englobe les écoulements à l'entrée de l'aspirateur, le vortex à charge partielle (torche) et à forte charge ainsi que le sillage des directrices. Une attention particulière est portée sur les fréquences caractéristiques trouvées à l'aide des mesures LDV à cet endroit. Parallèlement aux mesures expérimentales, des simulations numériques ont été effectuées et comparées avec les données expérimentales disponibles. Cette comparaison permet d'améliorer les simulations numériques en posant différentes conditions limites et modèles de turbulence. Une meilleure utilisation et une amélioration des modèles RANS, URANS et LES avec l'utilisation de la base de données expérimentales est discutée dans l'étude. En conclusion à la recherche, le débalancement circonférentiel de l'écoulement est identifié avec les méthodes expérimentales et numériques. Le débalancement est de l'ordre de 10% de la vitesse de référence crête à crête aux avants directrices et est amorti à 5% à l'interface. Le débalancement maximal est de 12% à l'intérieur du cône divergent de l'aspirateur. L'intensité turbulente dans les canaux d'admission a été estimée à 8%. Les résultats expérimentaux ont démontré que les interactions rotor-stator sont faibles à l'intérieur de ce type de machine car il y a une dissipation rapide du sillage des directrices avant la roue. La torche à charge partielle et les recirculations se produisant dans l'aspirateur sont présentées avec leurs effets sur l'efficacité hydraulique et la configuration de l'écoulement. Plusieurs structures et vortex sont identifiés tels que le vortex se produisant dans l'espace en porte-à-faux des directrices, le vortex de bout d'aubes, la torche et les vortex contrarotatifs des canaux d'admission. Une base de donnée a été crée pour des recherches futures portant sur l'écoulement d'une turbine Hélice.

Ce mémoire présente le développement d'un modèle de couplage aéroélastique pour un petit véhicule de lancement spatial et ses résultats. Le mémoire est divisé en trois parties. La première présente d'abord les outils théoriques et numériques nécessaires pour développer un code d'interactions fluide-solide. Ces outils sont l'analyse modale, la mécanique des fluides numérique ainsi qu'un code de déformations imposées utilisant le langage UDF d'ANSYS Fluent qui est utilisé pour effectuer les analyses aéroélastiques. La seconde partie traite de l'analyse aéroélastique statique. La méthode est comparée avec d'autres méthodes de la littérature pour un cas de validation sur plaque plane flexible puis appliquée sur le lanceur. Il est montré que les déformations causées par la pression du fluide sur le solide sont petites pour le cas statique et ne posent donc pas de problème. La troisième partie concerne l'analyse aéroélastique dynamique. La méthodologie est présentée avec la théorie associée, puis explicitée pour faire ressortir les subtilités du calcul numérique parallèle. Le solide est traité avec une méthode de sommation modale qui diminue les coûts de calcul en admettant de petites déformations. Le solide est résolu dans le temps avec une méthode de différences centrées au deuxième ordre de manière explicite. Le couplage est assuré par une méthode d'interpolation entre les maillages fluide et solide à l'aide de fonctions de bases radiales. Un cas test de validation avec plaque plane flexible est ensuite détaillé puis comparé à la théorie ainsi qu'à d'autres solveurs d'interactions fluide-solide commerciaux. Les résultats confirment que les déformations du lanceur restent petites pour des perturbations de type rafales de vent. Les coefficients aérodynamiques sont peu affectés. L'amortissement fourni par l'air (aérodynamique) est faible, ce qui fait que les fréquences d'oscillation observées sont similaires aux fréquences naturelles prédites.

Ce mémoire présente les travaux de recherche effectués au sein du département de Génie Mécanique de l’Université Laval dans le cadre du projet « Impact modeling of Composite Aircraft Structure », IMCAS du Consortium de Recherche et d’Innovation en Aérospatiale (CRIAQ). Le but de ces travaux était de créer une loi de comportement pour les composites tissés sec mous et de les implanter dans un élément coque reproduisant le comportement dynamique d’un croisement de fibres dans un pli typique sous impact balistique et en fonction de certains paramètres géométriques propres au tissé. La création d’une loi de comportement de l’usager dans le logiciel d’analyse par éléments finis Abaqus a été nécessaire pour mener à bien ce projet. La méthodologie de développement de la sous-routine de l’usager, qui définit le matériau tissé et est utilisée en conjonction avec l’élément shell S4R, est basée sur les récents travaux de Grujicic et al (1) et Shahkarami et al (2). La validation de ce modèle a été réalisée en vérifiant la validité de sa réponse à certaines sollicitations rencontrées dans des études simples d’impact. Le résultat final de ces tests numériques d’impact a permis de démontrer que nous obtenons des résultats similaires à ceux de Shahkarami pour les mêmes paramètres d’expérimentation. Enfin, après cette dernière validation, nous avons appliqué l’outil développé à l’étude, en dynamique explicite, de l’impact d’une pale de soufflante sur un caisson de confinement hybride. Ce caisson est composé d’une première couche intérieure en coque métallique et sur laquelle s’empilent plusieurs couches de kevlar. Tout au long de ce mémoire, nous avons détaillé toutes les hypothèses, les démarches et les outils utilisés pour réaliser ce travail. Nos résultats montrent finalement qu’il est possible de reproduire les phénomènes physiques à une échelle méso-mécanique lors d’un impact haute vitesse sur un matériau composite tissé multicouche tout en minimisant le temps de calcul nécessaire. / This thesis presents the work that has been carried out inside the Mechanical Engineering Department of Laval University within a CRIAQ project related to Impact Modeling of Composite Aircraft Structure (IMCAS). The main goal of this work was to develop a dry fabric model for ballistic impact application and to implement it into a shell element capable of reproducing the dynamic behavior of a yarn crossover point with due account of some specific geometric and material parameters. The development of a material user subroutine (VUMAT user subroutine) was necessary to carry out this project. The methodology employed for the development of the user subroutine to be used with the S4R shell element available in Abaqus is based upon the works of Grujicic et al (1) and Shahkarami et al (2). The validity of the mesomechanical model created was carried out in order to assess the accuracy of its behavior under elementary loadings. Subsequently, using the same parameters to set up the analysis, the developed model has been applied in simple impact problems in Abaqus to demonstrate that we are able to obtain the same results as in the work of Shahkarami (2) used as a reference. Finally, after this last validation, the model is used in the impact study of an aeronautical engine’s fan blade containment problem using a hybrid casing. In our problem the casing’s inner shell is metallic and multiple Kevlar fabric layers are wrapped around it to contribute to the energy absorption and containment of the fan blade debris released outward at high speed. In this thesis all the assumptions, process and tools necessary to carry out every analysis have been described in details. Our results demonstrate that it is possible to capture the physical phenomenon happening at the yarn’s mesoscopic level during a high-velocity impact on a dry fabric while minimizing the computation time.

Dans le présent projet, on cherche à évaluer le potentiel de récupération et d'intégration des déchets thermiques dans une usine de production primaire d'aluminium. Il s'agit en premier lieu de «cartographier» la chaleur et les températures en jeu; c'est-à-dire construire un inventaire détaillé des rejets thermiques, mais aussi de la consommation de chaleur dans divers bâtiments ou procédés. L'ensemble de l'usine est inclus dans l'analyse: cuves d'electrolyse, secteur de production des anodes, centre de coulée, entrepôts, bureaux, etc. En second lieu, il s'agit d'examiner les procédés qui dissipent de la chaleur pour déterminer les limites therrmodynamiques qui s'appliquent à la récupération thermique. L'analyse exergétique est employée afin d'établir pleinement les possibilités d'intégration thermoénergétiques. L'aluminerie considérée est celle d'Alcoa Deschambault Québec (ADQ). Les résultats montrent que le potentiel d'intégration réelle de la chaleur identifié en usine est faible dû i) aux équipements et technologies de récupération et intégration thermique accessibles et ii) à une demande limitée pour la chaleur de basse/moyenne température. Il n'en reste pas moins qu'il est actuellement possible thermodynamiquement de satisfaire les besoins de chauffage ambiant à l'usine d'ADQ avec les rejets thermiques contenus dans les gaz d'échappements des cuves. Aussi, -10 MW de puissance pourrait être généré en continu avec la chaleur identifiés dans les secteurs d'électrolyse, de cuisson des anodes, et de coulée, compte tenu de l'efficacité des machines thermiques disponibles sur le marché.