Le retour de chaleur est un phénomène bien reconnu pour entrainer le vieillissement prématuré et l’éventuelle défaillance des moteurs à combustion interne en condition post-arrêt. Les études de ces systèmes, plus particulièrement de la turbine à gaz, ont démontré la tendance de la chaleur à diffuser librement vers les sections, pièces et cavités (telle la chambre de combustion), plus froides du moteur, à partir du moment où les pièces rotatives s’immobilisent. Principalement composé de convection naturelle, le front de chaleur risque d’entrainer l’oxydation prématurée du carburant (cokage) demeuré dans les injecteurs supérieurs. Cette étude propose un modèle par mécanique des fluides numérique (MFN), capable de reproduire le retour de chaleur dans une chambre de combustion tubulaire modifiée, et d’évaluer ses conséquences sur le système de distribution de carburant. Le modèle numérique fera plus tard l’objet de validation par des tests expérimentaux, sur cette chambre équipée de masses complémentaires d’accumulation thermique. / Heat soak-back is a phenomenon observed in many thermal applications including internal combustion engines. Post shutdown studies of these systems, particularly gas turbines, have shown that a massive heat wave could diffuse in the engine causing potential damage. As moving parts in the engine immobilize, heat diffuses freely from hotter to colder sections, including cavities such as the combustor. Primarily composed of free convection, the heat front in the combustor may cause premature coking in the top dead center injectors as the buoyant hot air tends to reach the upper section of the combustor. The following investigation implies computational fluid dynamics (CFD) simulation in order to predict the thermal behaviour and magnitude of this soak-back phenomenon inside a modified can combustor test rig and its potential consequences on the fuel delivery system. The numerical model will eventually be validated using experimentations with this combustor equipped with complementary thermal accumulation masses.

Dans les recherches réalisées pour ce projet de thèse, il est démontré qu’une traverse existante de train d’atterrissage d’hélicoptère à patins fabriquée par pliage et érosion chimique, pourrait être remplacée par une autre traverse, dont la forme innovante est fabricable par le procédé d’hydroformage de tubes. Ce procédé présente par exemple l’avantage d’être plus respectueux de l’environnement que le procédé de fabrication actuel, car il ne nécessite pas l’utilisation de produits chimiques polluant. De plus, la méthodologie développée dans le cadre des recherches réalisées permet de prendre en compte l’histoire du matériau de la traverse dans toutes les étapes de son processus de fabrication. Les performances d’un train d’atterrissage équipé de la nouvelle traverse ont été évaluées numériquement. Des travaux, développés avec le logiciel de calculs par éléments finis ABAQUS, ont permis de mettre en évidence l’intérêt d’utiliser des éléments finis de coque solides fiables et précis. Ces éléments sont en effet capables de prendre en compte le comportement dans l’épaisseur de structures minces avec une seule couche d’éléments. Une nouvelle technique de lissage appelé «Smoothed finite element method» ou «SFEM» a retenu l’attention pour sa simplicité de mise en œuvre et son insensibilité à la distorsion de maillage parfois rencontrée dans les simulations de formage de formes complexes. Un élément de coque solide résultant linéaire développé en utilisant cette méthode SFEM pour traiter de la cinématique en membrane et en flexion a été testé avec succès au travers d’exemples classiques identifiés dans la littérature. Ce nouvel élément a montré un niveau de précision souvent supérieur à celui d’autres éléments déjà existants. En outre, un élément de coque solide à intégration réduite, capable de fonctionner avec la plupart des lois de comportement en trois dimensions et cela même en présence de structures minces a été développé. Cet élément, libre de tout blocage a montré un bon niveau de précision par rapport aux éléments existants dans le cas de problèmes implicites géométriquement linéaires et non-linéaires. L’élément a été étendu en formulation explicite puis couplé avec une loi de comportement hyper élastoplastique en trois dimensions. Il a enfin été testé dans une simulation d’hydroformage de tubes en présence de pressions élevées, de frottement et de grandes déformations. / In the current work, it is shown that an existing helicopter skid landing gear cross tube, made by tube bending and chemical milling, could be replaced by another cross tube, whose innovative shape is producible by tube hydroforming. This method has for example the advantage of being more environmentally friendly than the current manufacturing process, because it does not require the use of hazardous chemicals. In addition, the methodology developed in this project takes into account the cross tube material’s history throughout the manufacturing process. Moreover, the performance of a skid landing gear equipped with this new cross tube has been evaluated numerically. This thesis simulation work has been developed with the finite element analysis software ABAQUS. It highlights the potential gains of using a reliable and accurate solid-shell finite element which is capable to take into account the through-thickness behavior of thin structures with a single layer of elements. A new smoothing technique called «Smoothed finite element method» or «SFEM» has been considered for its simplicity and insensitivity to mesh distortion, sometimes encountered while simulating complex shapes forming. A new resultant linear solid-shell element using this SFEM to deal with membrane and bending kinematics has been developed and successfully tested through classical benchmark problems found in the literature. This new element has often shown much greater level of accuracy than other existing elements. In addition, a novel reduced integration solid-shell element, able to work with most three dimensions constitutive laws even in the presence of thin structures is also discussed. This element, free of locking, shows a good accuracy level with respect to existing elements in implicit geometrically linear and non-linear benchmark problems. Its extension to explicit formulation is coupled with a three dimensions hyper elastoplastic constitutive law and tested in a tube hydroforming simulation involving high pressures, friction and large deformations.

Les Barres d’Hopkinson sont couramment utilisées pour tester les matériaux à des hauts taux de déformations. Souvent, différents systèmes de barres sont utilisés pour tester les matériaux en tension ou en compression. Par contre, il serait pratique d’utiliser un seul système, pour prendre des mesures en tension et en compression. Des études ont été faites pour convertir le système de compression existant du centre de Recherche et Développement pour la Défense Canada (RDDC) de ValCartier. Un concept a été choisi parmi 6 systèmes de tension déjà existants. Le choix a été validé avec un modèle d’éléments finis fait sur LS-Dyna. Le modèle a été calibré sur des résultats de compression fournis par le RDDC. Il fut ensuite modifié pour intégrer le nouveau concept. À cause d’un manque de ressources, les résultats de simulation sur LS-Dyna n’ont pu être comparés avec des résultats expérimentaux, puisqu’un premier prototype n’a pu être fabriqué. / The Split Hopkinson Pressure Bars (SHPB) is a common method used to characterize materials at high rates of strain. First used to experiment on materials in compression, the method was adapted to do tests in tension and torsion. The compression apparatus consists of a specimen sandwiched between 2 pressure bars, called the input bar and the output bar. A third bar, the striker, is launched at the input bar. Upon impact, a compressive pulse traveling toward the specimen is generated. This load is partially transmitted into the specimen and the output bar, the rest of it being reflected back into the input bar. Using measurements of the input, transmitted and reflected pulse, it is possible to develop the stress-strain response of the material deforming at high strain rates. This is achieved using strain gages adequately placed on both pressure bars. Many researchers use a different SHPB system when it comes to tension tests. Many methods exist, but all of them are based on compressive experiments. It would therefore be convenient to only have one system, which is capable of taking measurements both in compression and tension. Based on the compressive SHPB apparatus used by the Defense, Research and Development Canada (DRDC) center in ValCartier, studies were made to convert the compressive system into a tensile setup. The goal was to modify it with minimum changes possible, in order to easily go back and forth between the two configurations. A design choice was made, considering 6 existing tension systems. To validate the decision, a finite element model was created using LS-Dyna. The modal was first aligned with the compression results provided and then modified to implement the selected design. Because of a lack of available resources, LS-Dyna simulation results were not compared with experimental data, as it was not possible to create a first prototype.

Le contexte économique actuel force les compagnies à fabriquer des produits plus novateurs, à satisfaire entièrement les besoins des clients et à répondre rapidement à la demande du marché. Néanmoins, les organisations n’ont pas nécessairement tout le savoir-faire nécessaire à l’interne pour mener à bien toutes leurs activités. Les collaborations avec d’autres organisations peuvent donc permettre de répondre à certains besoins que seule, une compagnie ne serait en mesure de satisfaire. De ce point de vue, les universités peuvent s’avérer des partenaires clés pour favoriser l’innovation et faciliter son transfert vers les compagnies. Pour mieux exploiter l’apport de telles ressources externes et l’innovation découlant de la collaboration, l’innovation ouverte semble une avenue de plus en plus prisée. Cette étude propose un cadre facilitant l’implantation de collaboration entre les universités et l’industrie, tout en développant une méthodologie supportant l’implantation de l’innovation ouverte dans les organisations. Des mécanismes de collaboration dans deux centres d’expertise sont aussi étudiés pour comparer le cadre proposé avec des façons de faire réelles. Les analyses démontrent que la façon dont les deux centres collaborent avec les entreprises coïncident avec le cadre proposé dans le mémoire. Même si l’innovation ouverte n’est pas explicitement implantée dans ces deux centres, il semble y avoir un fort potentiel pour son développement. / Competitive markets force companies to produce innovative products, meet customers’ needs, and respond quickly to market demand. Nevertheless, firms do not necessarily have all the competencies to perform every operation in-house. Therefore collaboration with other organizations could help them in solving problems which may not be solved individually. In this regard, universities can be considered as the appropriate partners for firms. Moreover, innovation process as a key factor to create new solutions should be embedded in companies’ strategy. To properly take advantages from external resources, the innovation process and inter-firm collaborations are becoming more open leading to the open innovation concept. This study proposes a general framework for creating successful university-industry collaboration, while developing a step-by-step procedure for describing how open innovation can be implemented in a company. Collaboration mechanisms in two centers of knowledge are also investigated to compare and adapt these proposed framework and structure. The analyses reveal that the way the two centers collaborate with companies greatly matches with the presented collaboration framework. Although open innovation model is not significantly applied for collaboration in these organizations, there is a high potential for its implementation.

Comme de nombreuses industries, les alumineries se retrouvent face au nouveau défi de réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). La capture du CO₂ émis par les cuves d'électrolyse permettrait de réduire drastiquement les GES sans nécessiter des changements importants de la technologie actuelle de production. Ce travail présente deux analyses technico-économiques de la capture du CO₂ émis par les cuves d'électrolyse afin d'en évaluer la faisabilité. La première étude vérifie si la capture par la monoethanolamine (MEA), une alkano amine primaire couramment employée pour la séparation des gaz acides, est techniquement possible et économiquement intéressante dans une aluminerie. L'effet du taux de ventilation des cuves d'électrolyse a été étudié afin d'augmenter la concentration du CO₂ dans les effluents gazeux. De plus, la possibilité d'une intégration thermique a été prise en considération, pour permettre d'évaluer dans quels secteurs les rejets thermiques d'une aluminerie sont compatibles avec les besoins énergétiques de l'installation de capture. Il ressort de cette première analyse qu'une concentration en CO₂ de 4 vol% dans les effluents gazeux des cuves d'électrolyse est la configuration la plus adéquate techniquement et économiquement. Le coût de la capture est estimé à 107 $/tonne de C0₂ évité, correspondant à 100 $/tonne d'aluminium produit. Une intégration thermique appropriée permettrait théoriquement de réduire de 58% les coûts de la capture. La seconde étude évalue la possibilité de l'utilisation d'une solution à base d'aminé à encombrement stérique, afin de rendre la capture plus attractive économiquement. Le choix est porté sur l'utilisation d'un mélange de 2-amino 2-methyl 1-propranol (AMP) et de piperazine (PZ), un solvant moins énergivore. Pour l'étude, la configuration avec une concentration en CO₂ de 4 vol% dans les effluents gazeux a été utilisée. Une composition massique de 8% en PZ et de 32% en AMP dans le solvant s'est avérée être la meilleure configuration. L'utilisation du mélange AMP/PZ permet de réduire de 25% le coût du capital et de 29% les coûts opératoires par rapport à la MEA (65 $/tonne de CO₂ évité par rapport à 107 $/tonne pour la MEA). L'intégration thermique permet de réduire le coût de la capture à 58 $/tonne de CO₂ évité.

Ce mémoire a comme objectif de prédire les performances d’une turbine modèle de type bulbe à l’aide de simulations numériques RANS k-ε. Tout d’abord, par des simulations numériques, on valide les éléments de la méthodologie les plus susceptibles d’influencer la qualité des résultats. Par la suite, on obtient la colline de rendement numérique et on analyse l’effet du jeu de bout d’aube ainsi que des jeux au moyeu sur la prédiction de performance. Les résultats indiquent que la colline de rendement numérique se compare bien à la littérature portant sur les turbines bulbes. On montre, de plus, que tenir compte du jeu de bout d’aube dans la simulation numérique diminue de manière significative le rendement prédit. L’impact des jeux au moyeu est cependant négligeable sur la prédiction de performance de la turbine. Finalement, une modification de l’aspirateur est proposée pour la suite du projet entrepris par le consortium de recherche.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Le présent mémoire a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes de perte dans les aspirateurs de turbines hydrauliques. Pour ce faire, l’écoulement dans un aspirateur caractérisé par une diminution abrupte du coefficient de récupération près du meilleur point de fonctionnement a été étudié. Une méthode avancée de modélisation de la turbulence, le DES, a été mise à l’essai, afin de déterminer les gains associés à une représentation plus fine des mouvements turbulents dans cette composante. Les requis méthodologiques liés à cette approche, notamment par rapport à la condition d’entrée, ont été explorés, dans le but de développer une meilleure expertise d’utilisation du DES. Il a été démontré que le profil de vitesse radiale imposé dans le plan d’entrée du domaine de calcul altère de façon significative l’écoulement en aval et les performances prédites. Avec le profil de vitesse radiale mesuré expérimentalement, l’allure de la courbe de performance de l’aspirateur a pu être assez bien reproduite avec l’approche de modélisation de la turbulence URANS. Toutefois, certains aspects des simulations ne concordent pas bien avec les mesures expérimentales, c’est notamment le cas de l’écart de débit entre les deux canaux de sortie. Il a été établi que les structures d’écoulement en rotation sous les aubes de la roue nécessitent une discrétisation spatiale et temporelle extrêmement fine pour éviter qu’elles se diffusent prématurément sous le plan d’entrée. Toutefois, au point d’opération considéré, leur influence sur les performances de l’aspirateur s’est avérée très faible. Les simulations DES et URANS de l’aspirateur où des conditions d’entrée axisymétriques ont été imposées ont prédit des performances similaires. Cependant, le DES permet de simuler une dynamique tourbillonnaire beaucoup plus riche, avec un maillage et un pas de temps similaire au URANS, tout en étant largement moins dépendant des quantités turbulentes modélisées imposées dans le plan d’entrée. / The work carried throughout this thesis has for objective to enhance losses predictions in hydraulic turbines draft tube. In order to acheive this, the flow in a draft tube charaterized by a sharp drop in the pressure recovery coefficient near the best efficiency point was studied. Detached Eddy Simulation (DES), an advanced turbulence modeling approach, was put to the test, in order to asses the gain attributable to a finer and more precise description of turbulent motions in this component. The numerical methods required associated to this approach, especially regarding the inlet boundary condition, were investigated. It was shown that the radial velocity profile specified at the inlet of the computational domain alters significantly the flow downstream and the predicted performance. With the measured radial velocity profile specified at the inlet of the draft tube, reasonnable agreement was found between URANS numerical results and experimental measurements of pressure recovery. However, some aspects of the numerical simulations does not agree well with experimental data. It is the case for flow imbalance between the two outlet bays. It was established that rotating flow structures underneath the runner blades require extremely fine grid and time step resolution to avoid their premature diffusion underneath the inlet plane. Nevertheless, at the studied operating point, their influence on draft tube performance was found to be very limited. DES and URANS simulations of the draft tube where axisymmetric inlet boundary conditions were imposed predicted similar pressure recovery. However, DES enables to simulate much more complex and rich turbulent motions, at a computational cost similar to the one of a URANS simulatation and with much less influence from the modeled turbulent quantities specified at the inlet plane.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Il est présenté dans ce mémoire une approche globale d’étude et de modélisation des interactions entre particules dans les fluides magnétorhéologiques. D’abord, une campagne expérimentale étudiant l’augmentation de la capacité de transmission d’une contrainte de cisaillement du fluide par une compression est présentée. Les essais ont démontré que l’augmentation pouvait atteindre plusieurs dizaines de fois la capacité initiale sans compression. Une base macroscopique d’observation des interactions entre particules est obtenue. Ensuite, l’élaboration d’une simulation par éléments discrets appliquée aux fluides magnétorhéologiques est présentée. Elle permet, entre autres, l’observation qualitative de l’arrangement des particules et de leur état de force. Finalement, les bases d’un modèle mathématique fondé sur l’hypothèse d’un milieu continu micro-polaire appliqué aux fluides magnétorhéologiques sont proposées. Une méthode d’homogénéisation est proposée afin de mettre à profit l’information tirée de la campagne expérimentale et de la simulation de particules pour obtenir les lois de comportements rhéologiques. / Because of their great potential in mechanical design, magnetorheological fluids have been the subject of a lot of research during the last decade. Although they are already used in some semi-active dampers, their use in other promising technologies such as magnetorheological clutches remains not usual. The main reason for this lack of representation in clutch technologies is the relatively low shear stress transmission capability of these fluids. As a solution, some researchers proposed the application of a compressive stress on the fluid layer while maintaining a magnetic field. As a result, the shear stress transmission capability increases significantly. This effect has been called the Squeeze-Strengthen effect. This effect focuses on the significant interactions between the ferromagnetic particles present in the fluid. This master thesis proposes a global approach to study and model the interactions between particles in magnetorheological fluids. First, experiments are performed to study the Squeeze-Strengthen effect in the context of clutch technologies. The tests have shown that shear stress transmission capacity can be easily increased more than ten times the initial capacity without compression. Then, a numerical model based on the discrete elements method applied to the magnetorheological fluids is proposed. This simulation allows the determination of the state of forces on each particle considered in the model. Some qualitative observations of the particle structure can be made from this simulation. Finally, the bases of a mathematical model of continuum mechanics applied to the magnetorheological fluids are posed. In order to take the particle interactions into account, the assumption of a micro polar medium is made. An homogenization technique is proposed as a way to use the information obtained from the numerical simulations and the experimental investigations in order to obtain the rheologic behaviour laws.

Dans un contexte marqué par une succession de crises financières, la collaboration interentreprises se montre essentielle pour la survie et le développement des organisations. En effet, la collaboration entre les acteurs devient un élément clé dans l'optimisation des réseaux de création de valeur, en offrant à ses membres une meilleure synchronisation des activités, ainsi qu'un partage plus efficace du savoir-faire et de l'information. Toutefois, la synchronisation des opérations de tous les membres reste un grand défi, puisque chaque membre ayant ses propres objectifs et contraintes, leurs intérêts peuvent alors être en conflit avec ceux des autres membres. Dans le cadre de ce mémoire, nous visons d'abord à montrer comment des mécanismes de coordination, tels que le VMI (Vendor Managed Inventory) et le CPFR (Collaborative Planning, Forecasting and Replenishment), peuvent accroître le profit total du réseau, comparés à l'utilisation d'une approche plus traditionnelle, celle du réapprovisionnement régulier (RR). Ensuite, nous abordons le problème de partage des bénéfices de la collaboration entre les partenaires. La méthode de la valeur de Shapley, la méthode des coûts séparables et non séparables ainsi qu'une méthode inspirée des travaux de DeMartini et al. (1999), dans le contexte des enchères combinatoires, sont utilisées pour calculer la part de chaque partenaire du profit total du réseau. En particulier, nous étudions le cas de cinq scieries et d'une papetière situées dans la région de la Côte-Nord au Québec. Quatre de ces scieries sont des entités indépendantes, tandis que la cinquième appartient à la papetière. Pour ce contexte particulier, nous examinons comment les scieries peuvent travailler ensemble pour mieux répondre à la demande de la papetière, utiliser plus efficacement la fibre de bois et assurer une relation profitable pour tous les acteurs. Les résultats montrent qu'une augmentation du profit total du réseau est espérée par l'utilisation du VMI ou du CPFR. Toutefois, ce n'est pas toujours le cas des profits individuels calculés sur une base comptable. L'utilisation de méthodes adaptées à la répartition des bénéfices de la collaboration provoque une dynamique différente et intéressante quant à l'évolution des profits individuels post-collaboration.

Les essais expérimentaux pour des écoulements hypersoniques sont extrêmement dispendieux dans les coûts des installations et d'opérations. Par contre, la meilleure façon de contourner ce problème est l'utilisation de simulation numérique pour représenter des systèmes complexes. Cependant, la simulation numérique est encore à ces débuts et il reste beaucoup de travail à accomplir pour bien comprendre la physique de la mécanique des fluides. Ainsi, la plupart des scientifiques n'ont pas le choix de se retourner vers des modèles analytiques plus simples, afin de résoudre des problèmes complexes. Ce mémoire traite d'une méthode semi-analytique et semi-numérique afin de caractériser la modélisation, l'analyse et l'optimisation d'un véhicule hypersonique, utilisant un système de propulsion de type superstatoréacteur (SSRéacteur) ou superstatoréacteur à combustion induite par ondes de choc (SSCRéacteur), pour une mission donnée. Chaque véhicule hypersonique est un surfeur d'ondes (anglais : waverider) en 2D et qui est composé d'un modèle d'entrée d'air, de mixage et de réaction air/carburant, de chambre de combustion, de tuyère, d'aérodynamique externe et de masse. Ainsi, tous ces sous-systèmes utilisent un écoulement à propriétés constantes et/ou variables en fonction de la température et ils sont interreliés dans le but d'analyser les performances du véhicule global. Par l'emploi d'un processus d'optimisation, les performances des véhicules sont évaluées pour une convergence sur une masse déterminée (430 kg) et sur un équilibre des forces en Xet Ten fonction d'une mission donnée (Mach 7 à 20). La synthèse des résultats obtenus convient que pour les paramètres de la mission définie, les deux configurations ont des portées similaires, et que le SSCRéacteur a un fort potentiel avec l'utilisation de la détonation comme processus de combustion. Ces résultats donnent une bonne approximation des performances plausibles de deux configurations génériques de SSRéacteur et de SSCRéacteur. Cette étude multidisciplinaire démontre bien que des études complémentaires sont requises pour l'obtention de propriétés optimales (l'impulsion spécifique et la portée) pour chaque concept et ceci à chacune des conditions de vol. Néanmoins, le concept du SSCRéacteur demeure toujours très prometteur pour les années futures.