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.

Le principal objectif des présents travaux était d’étudier le phénomène de torsion thermique dans des tubes en matériau composite, plus précisément en pré-imprégné de carbone-époxyde. Un modèle d’analyse par éléments finis capable de prédire ces déformations a été développé et a démontré l’importance d’utiliser des éléments en trois dimensions plutôt que des éléments coques dans ce type d’application. Une analyse de l’influence des paramètres géométriques sur le phénomène de torsion thermique sur différents types de stratifiés a été réalisée. Des tubes échantillons ont été fabriqués et soumis à un changement de température dans une chambre environnementale. Les déformations ont été mesurées à l’aide d’un système de corrélation d’images en trois dimensions et également par l’aide de rosettes de déformation. Les résultats obtenus avec les méthodes de mesure sélectionnées ont montré qu’il était possible de capturer le phénomène de torsion mais qu’il était difficile de le mesurer avec précision.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2014-2015 / Cette thèse présente une étude de la turbulence et du scalaire passif dans la zone autosimilaire d’un jet rond libre faiblement chauffé, caractérisé par un haut nombre de Reynolds ([symbol]). D’abord, une analyse des limitations des sondes à fils chauds croisés stationnaires basée sur des mesures LDV est présentée. Celle-ci met en évidence l’importance des événements de vitesse à grands angles d’incidence dans les valeurs mesurées. Ensuite, la turbulence et la chaleur employée comme scalaire passif dans le jet sont étudiées à l’aide du LDV, de la thermométrie à fil froid et d’une combinaison de ces deux méthodes. On mesure ainsi les distributions radiales des valeurs moyennes et des moments de vitesse, de température et de leurs corrélations croisées. Ces statistiques incluent notamment [symbol]. Ces mesures sont caractérisées par un contrôle précis des conditions aux limites et une grande convergence statistique. On remarque un bon accord entres les valeurs mesurées de [symbol] , [symbol] ainsi que [symbol] et leur expressions analytiques, dérivées des équations de continuité, du mouvement moyen et d’enthalpie, respectivement. Les bilans de transports de l’énergie cinétique turbulente (k), du scalaire passif ([symbol] ) ainsi que des flux de chaleur turbulents [symbol] sont ensuite établis, dans le même écoulement de jet rond faiblement chauffé. Pour le bilan de k, le modèle proposé par Lumley (1978) est employé pour représenter les termes de diffusion de pression. Pour les deux bilans, l’intégration à zéro sur un volume de contrôle des termes de diffusion est vérifiée et la portée de ce critère de validité est analysée. Aussi, les restes des deux bilans constituent leurs termes de dissipation respectifs, ek et eq . Dans le cas de ek, le modèle prédictif mis de l’avant par Thiesset et al (2014) ainsi qu’une analyse originale des bases de données de Panchapakesan & Lumley (1993a) et de Hussein et al (1994) laisse entrevoir une possibilité de réconciliation en ce qui a trait aux résultats produits par ces deux expériences réputées. Les budgets des composantes du tenseur de Reynolds ([symbol] ) sont aussi établis et analysés. La valeur de eq sur l’axe du jet est employée comme référence dans une étude exhaustive des techniques de mesures directes de ce taux de dissipation. Cette étude expose clairement les difficultés de ces mesures, notamment par des analyses spectrales. Les données amassées permettent d’établir les distributions radiales de paramètres d’intérêt pour la modélisation, tels que la viscosité tourbillonnaire ([symbol] ), la diffusivité tourbillonnaire ([symbol] ) et le nombre de Prandtl turbulent ([symbol] ). L’assomption de [symbol] constant est examinée. Le ratio entre les échelles de temps de dissipation de température et d’énergie cinétique turbulente (R) est aussi calculé et analysé. / This thesis presents a study of the turbulence generated by a slightly heated turbulent round jet, evolving in still air. The study focuses on the self-preserving region of the high Reynolds number jet ([symbol] ). The jet is heated to only 20°C above ambient, so that temperature is treated as a passive scalar. In the first chapter of the thesis, a new and novel analysis of the stationary crossed hot wire probes based on unbiased LDV data is exposed, thus revealing the importance of the wide incidence angle events on the measured values. LDV, cold wire thermometry and a combination of both methods is used to study the slightly heated jet. Radial distributions of mean velocities and heating level, second and third order moments of fluctuating velocity and temperature ([symbol]) along with cross correlations, such as [symbol] are made available. During data acquisition, great attention was devoted to the close control of boundary conditions and statistical convergence. The measured values of V, uv as well as vq are in good agreement with their analytical expressions, provided by continuity, mean momentum and enthalpy equations, respectively. The transport budgets for the turbulent kinetic energy, ([symbol] ), passive scalar ([symbol] ), and temperature turbulent fluxes ([symbol] ) are then established using the data acquired in the very same, slightly heated, jet flow. The model introduced by Lumley (1978) for the pressure diffusion, is used as a surrogate for this term, in the case of the k budget. The integration to zero of the diffusion terms of both budgets over a control volume is verified. The significance of this validity criterion is analysed. The remainders of both budgets, are their respective dissipation terms, ek and eq . In the case of ek, the predictive model recently put forward by Thiesset et al (2014) along with a novel treatment of the databases of Panchapakesan & Lumley (1993a) and Hussein et al (1994), may help bring the outcome of the two famous experiments to a reconciliation. The Reynolds stress tensor component budgets were also established, leading to an analysis of the importance of the redistribution terms. The [symbol] value provided by the [symbol] budget is used as a reference in an exhaustive study of the means of dissipation measurement, on the centerline of the jet. This study reveals the shortcoming of the direct measurements of eq , namely thought spectral analysis. Radial distributions of turbulence modeling parameters, such as turbulent momentum viscosity ([symbol] ), turbulent thermal diffusivity ([symbol] ) and turbulent Prandtl number ([symbol] ) were established. The assumption of a constant PrT is scrutinized. The radial distribution of the thermal-to-mechanical timescale ratio (R) is calculated and analysed.

Les maladies et malformations des valves cardiaques entraînent, chaque année, près de 300 000 opérations de remplacements, principalement réalisées sur les valves aortiques. Des valves de remplacement mécaniques ou biosynthétiques sont habituellement employées, mais leur utilisation implique plusieurs inconvénients, surtout chez les jeunes patients, puisque ces substituts inertes sont incapables de se remodeler en fonction des modifications apportées à l’environnement physiologique. Le génie tissulaire, c’est-à-dire la création de nouveaux tissus biologiques à partir de cellules vivantes, pourrait permettre d’enrayer les problèmes rencontrés avec les substituts traditionnels. Plusieurs techniques de construction de valves par génie tissulaire sont actuellement étudiées, notamment l’utilisation de matrices de polymère poreuses ou de valves décellularisées. Cette thèse présente le développement d’une toute nouvelle technique de construction de valves biologiques qui utilise la méthode d’auto-assemblage. Cette nouvelle technique permet de recréer la structure tridimensionnelle des valves en utilisant un matériau de base créé à partir de fibroblastes dermiques humains. Toutes les étapes ayant mené au développement de cette technique de construction jamais réalisée auparavant sont détaillées dans cette thèse. La méthode de fabrication du tissu de base est tout d’abord expliquée, puis le processus évolutif ayant mené à la construction de quatre prototypes est ensuite détaillé. Une méthode de construction utilisant différents gabarits a permis la mise en forme de valves possédant une structure similaire à celle des valves natives. Le comportement des nouveaux substituts a aussi été évalué à l’aide d’essais dynamiques en bioréacteur. Il a été démontré que les valves produites par auto-assemblage présentent un comportement normal sous une grande variété de conditions de débit et de pression et que les tissus ne sont pas endommagés par ces conditions de stimulation. Parallèlement, une étude de faisabilité sur la décellularisation de valves porcines réalisée avec la trypsine/EDTA a aussi été effectuée afin d’en évaluer le potentiel. Finalement, la caractérisation mécanique des tissus plans utilisés pour la fabrication des valves est aussi présentée. Cette étude permet de juger de la capacité des tissus à être utilisés pour remplacer les valves cardiaques et elle situe ce nouveau matériau par rapport à d’autres matériaux plans couramment employés. / Heart valves diseases lead annually to nearly 300 000 replacement surgeries, mostly performed on aortic valves. Mechanical or tissue valves are largely used to replace dysfunctional heart valves but they present serious drawbacks, mainly for young patients, since these non-living substitutes are unable to remodel according to physiological environment changes. Tissue engineering aims at the development of new biological organ substitutes created with living cells. Tissue engineered heart valves may be able to fully integrate their physiological environment and hence eliminate the problems encountered with mechanical and tissue valves. Porous polymer scaffolds or decellularized heart valves are current tissue engineering techniques that are being studied in order to develop new biological substitutes. This thesis, however, presents the development of an entirely new construction technique based on the self-assembly method that can recreate the aortic valve structure by using only human dermal fibroblasts cell sheets. The many steps achieved toward the development of this new construction technique are detailed in this thesis. The plane thick tissue fabrication method is first explained, along with the incremental evolutive process that led to the construction of four heart valve prototypes. The construction technique uses several templates to assist the three-dimensional shaping of the substitutes, which resemble the natural shape of the native aortic valve. Dynamic stimulations were also performed in a custom-made bioreactor and the valve exhibited a normal behavior under various flow and pressure waveforms. No damage was noted on the plane thick tissue after the mechanical stimulation. Besides, a feasibility study on the decellularization of porcine heart valves was conducted using Trypsin/EDTA in order to assess the potential of such a construction technique. Finally, the mechanical characterization of the plane tissue used for the construction of the valves is also presented. The results of this study confirm the ability of the tissues to act as a heart valve substitute. The new material is also compared to other commonly used materials in heart valve replacement or repair.

L’équilibrage statique d’un manipulateur robotique apporte plusieurs avantages. Ceux-ci comprennent notamment : une diminution des efforts d’actionnement dans un contexte statique, l’augmentation de la charge utile, une commande simplifiée et un robot plus sécuritaire dans un contexte d’interaction avec un humain. Incorporer une telle technologie à un manipulateur existant est donc souhaitable. Par contre, les techniques actuelles ne permettent pas l’intégration facile d’une compensation statique. Pour répondre à cette problématique, une nouvelle technique d’équilibrage est développée dans ce mémoire. Le concept présenté se base sur l’interaction entre des champs magnétiques pour produire un couple. En utilisant des cylindres d’Halbach imbriqués, un couple sinusoïdal théorique correspondant parfaitement à une charge gravitationnelle est obtenu. Cette technique est générale et peut être adaptée à différents contextes. Dans ce mémoire, la géométrie est optimisée dans le but de maximiser le couple produit et la compacité du prototype. Les aimants résultants sont assez complexes. Cela dit, dans un concept pratique, ils peuvent être segmentés afin de simplifier leur fabrication et leur intégration. Afin de démontrer qu’une compensation statique magnétique est une solution viable, un prototype est intégré à un robot industriel existant. Les résultats obtenus prouvent que le module de compensation statique développé réduit significativement le couple d’actionnement requis et ils justifient la poursuite des travaux dans ce domaine.

L’objectif de cette étude est de proposer des stratégies de récupération de chaleur au sein d’une aluminerie en se basant sur des considérations techniques et économiques. Après analyse des principaux postes de pertes de chaleur de l’aluminerie, l’étude focalise sur une source particulière : les effluents gazeux issus des cuves d’électrolyse. Deux applications sont envisagées et analysées dans deux articles scientifiques : le chauffage de bâtiments dans l’aluminerie, et le chauffage d’une serre. Dans les deux cas, une modélisation dynamique de la demande de chauffage est proposée, accompagnée d’un dimensionnement détaillé des échangeurs de chaleur et des équipements. Puis, une optimisation est réalisée pour minimiser les coûts de capital et d’opération de l’implantation. Enfin, des cas d’étude sont proposés afin d’analyser la variabilité des solutions retenues. / The objective of this study is to propose heat recovery strategies in a primary aluminum smelter by considering technical and economic aspects. After analyzing the various heat sources and sinks, it was decided to focus the study on the flue gases exiting the electrolysis cells. Two applications are envisioned and presented in two scientific articles: heating buildings within the aluminum smelter, and heating a greenhouse. In both cases, a dynamic model of heating requirement is proposed, associated to the detailed design of heat exchangers and equipment. Then, an optimization is performed to minimize the implementation capital and operation costs. Last, several case studies are presented in order to analyze the variability of the retained solutions.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdorales, 2015-2016 / Les travaux réalisés dans le cadre de ce mémoire de maîtrise visent à décrire la source hydraulique de vibrations mesurées lors de la mise en service d’une roue Francis. Lors de l’essai de rejet de charge à partir de la puissance maximale, il a été relevé que la roue subissait des vibrations autoexcitées à l’une de ses fréquences naturelles. L’objectif de ces travaux est d’identifier le phénomène hydraulique causant l’entrée en vibrations auto-excitées de la roue submergée. Puisque la cavitation semble jouer un rôle dans cette problématique, les capacités du solveur fluide ANSYS CFX à simuler de la cavitation instationnaire ont été évaluées. De ce fait, deux géométries ayant été étudiées expérimentalement ont été simulées. Cette étude a permis de conclure que l’approche homogène, plus stable et couramment utilisée dans la littérature, ne permet pas de reproduire de façon fiable les fluctuations de pression causées par l’instationarité des cavités de vapeur. Il a cependant été montré que les simulations permettent de prédire la forme, la localisation ainsi que les mécanismes entraînant la présence de vapeur dans l’écoulement. De plus, il a été demontré que la cavitation est un phénomène particulièrement sensible et sujet à répondre en phase à une excitation oscillatoire, par exemple la vibration de la roue. Les simulations numériques réalisées durant différentes phases du rejet de charge transitoire ont entre autres permis d’identifier que lorsque les vibrations apparaissent, une forte région de vapeur se crée au bord de fuite de l’aubage, près du plafond. En augmentant le temps de fermeture du distributeur, le partenaire industriel a réussis à éliminer les vibrations problématiques. En réalisant des simulations avec différents temps de fermeture, il a été démontré que la solution proposée permet d’augmenter le niveau de pression dans le canal inter-aubes, réduisant ainsi la quantité de vapeur s’y trouvant. Cela laisse suggérer que la cause d’entrée en vibrations de la roue est la cavitation se formant durant le rejet de charge. Cependant, il est à noter que les différentes méthodologies proposées n’ont pas permis d’obtenir les fréquences d’excitation mesurées expérimentalement, essentiellement à cause de limitations liées à la modélisation de la cavitation. / The work presented in this master degree thesis aims to identify the hydraulic cause of mechanical vibrations measured during the commissioning of a Francis runner. During the test of load rejection from maximal power output regime, it was noticed that the runner entered a state of self-excited vibrations at one of its natural frequencies. The purposes of this work is to investigate the hydraulic phenomenon which causes the submerged runner to enter self-excited vibrations. Since cavitation is expected to play a role in this problematics, there was a need to evaluate the capabilities of the fluid solver ANSYS CFX to solve unsteady cavitating flows. Two geometries which had been investigated experimentally were thus simulated. It was concluded that the homogeneous approach, more robust and widely used in the literature, does not lead to a reliable prediction of the pressure fluctuations caused by cavitation. It was however shown that the simulations allowed to predict the shape, the location as well as the physical mechanisms responsible for the presence of vapor in the flow. It was also demonstrated that cavitation is a phenomenon particularly sensitive and subject to respond in phase to oscillatory perturbations, for instance the vibrating runner. The numerical simulations carried out at different phases of the load rejection transient have established that when the vibrations appear, a wide region of vapor forms at the trailing edge of the blade, near the crown. By increasing the distributor closing time, the industrial partner in this work had success in eliminating such problematic vibrations. In our case, when performing simulations with increased closing times, it was demonstrated that the solution proposed allows to increase the pressure level in the inter-blade channel, lowering the quantity of vapor it contains. This strongly suggests that the hydraulic cause of the vibrations is the cavitation forming during the load rejection. However, one can note that the proposed methodologies have not permitted to predict the excitation frequencies as measured experimentally, essentially due to limitations in the modeling of cavitation.

Dans ce projet de mémoire, on tente de définir une commande nouvelle d’un système modélisé à paramètres variables. La commande par mode glissant définie dans le plan de phase constitue la base de la transformation afin de trouver la nouvelle commande recherchée. Celle-ci est effectivement optimale en minimisant le temps de la réponse temporelle en plus de s'assurer de la stabilité du système. Utilisant la transformation, il a été possible de prédire les trajectoires dans le plan d’état. De ce cas, une commande glissante en forme explicite est obtenue. Une plate-forme mobile de soudage (PFM) est choisie comme le système étudié pour appliquer ces commandes. Par ailleurs, une plate-forme informatique aux trois niveaux est construite pour faire la transformation et la visualisation d’application des commandes proposées ci-dessus. Mots clés : variables d’état, plan de phase, plan d’état, commande par mode glissante, commande glissante. / In this thesis a new control method have been defined to apply in the variable parameters model system. A sliding mode control defined in the phase plane is the basis of the transformation for finding this new desired control. The sliding mode control is an optimal method for both minimizing the response time and ensuring the stability of system. With this transformation, it is possible to predict the trajectories in the state plan. In this case, a sliding control with an explicit form can be obtained in the state plan. A mobile platform of welding (PFM) is chosen as example for applying the sliding mode controls and the sliding control. Furthermore, an IT platform with three levels is built up to do the transformation and visualize the application of those controls mentioned above. Key words : variables states, phase plane, state plan, sliding mode control, sliding control.

Les systèmes de communication à distance entre les individus ont évolué significativement au cours des dernières années, de concert avec les innovations technologiques caractérisant notre société. Afin de réaliser une communication réaliste et intuitive, le système doit être capable de stimuler les sens qui sont habituellement impliqués dans l’interaction entre deux personnes, tels que l’ouïe, la vision et le toucher. Le téléphone a représenté une innovation importante dans les communications en permettant enfin de pouvoir parler avec son interlocuteur directement, sans devoir employer un signal codé comme le code Morse. Cette communication a été améliorée en introduisant les appels vidéo, lesquels permettent non seulement d’entendre l’interlocuteur mais aussi de le voir. Plusieurs recherches ont cependant démontré que le sens du toucher joue également un rôle très important dans les interactions entre individus. Une technologie relativement récente, connue comme technologie haptique, aborde le problème de la transmission du sens du toucher à distance, dans le but de mettre en oeuvre une communication complète et encore plus réaliste. Cette technologie a également d’autres applications tout aussi importantes. À titre d’exemple, l’haptique est utilisée dans le domaine de la réadaptation et de l’apprentissage guidé de personnes ayant des déficiences motrices. Cette thèse porte sur le développement de la technologie haptique pour la communication à distance entre deux individus. L’objectif final est la réalisation d’un système permettant aux deux utilisateurs de se serrer la main à distance. Afin d’atteindre cet objectif, nous devons aborder deux problèmes différents, tels que la conception d’une interface capable de reproduire le mouvement désiré et l’implémentation d’une loi de commande garantissant le comportement correct de cette interface. Toujours dans le cadre de l’interaction à distance par le biais d’un dispositif haptique, une interface pour l’apprentissage de l’écriture manuelle est également présentée. Cette application permet de démontrer, entre autres, l’importance d’un signal haptique dans l’interaction humain-humain et son influence sur les utilisateurs. / Remote communication systems have significantly improved in the course of the recent years, in concert with technological innovations of our society. In order to realize a realistic and intuitive communication, the system must activate the part of the sensory system that is normally stimulated in an interaction between two people, i.e., the auditory system, the visual system and the haptic perception system, which concerns touch. The telephone represented an innovating communication system. It allowed to directly talk to the interlocutor without any need for a coded signal such as the Morse code. Remote communications have been further improved with the introduction of the video calls, which allow people not only to talk to but also to see each other. Several researches proved that the sense of touch plays a crucial role in social interactions. Haptic technology, which is relatively recent, approaches the problems related to the perception and the transmission of touch. One objective is to render remote communications even more complete and realistic. Haptic technology is also used in other important applications such as, for instance, rehabilitation and guided learning process of people with movement impairments. This thesis concerns the development of the haptic technology devoted to the implementation of remote communication systems. The final objective is to realize a teleoperation system which allows two users to remotely shake hands. In order to achieve this objective, two main issues must be faced : the design of a haptic interface capable of reproducing the required movement and the implementation of a control law which guarantees the proper response of such an interface. In the framework of a remote interaction via a haptic device, an interface for the training and assessment of handwriting capabilities is also presented. The latter application demonstrates the importance of haptic signals in a remote human-human interaction and its influence on the users.

Ce mémoire présente l’étude d’un prototype novateur d’hydrolienne basé sur l’utilisation d’ailes oscillantes. L’Hydrolienne à Ailes Oscillantes (HAO) est en développement depuis une dizaine d’années à l’Université Laval et le potentiel de cette technologie a d’ailleurs été vérifié numériquement et expérimentalement. Il est maintenant nécessaire de développer des outils permettant de prédire le comportement de l’hydrolienne lorsqu’installée en rivière ou en courant de marée. Pour ce faire, la dynamique des fluides numérique (CFD) est utilisée afin d’étudier l’impact de différents paramètres sur les performances de l’hydrolienne. L’étude présentée dans ce mémoire décrit notamment l’influence de la modélisation de la turbulence, de la présence de la structure de l’hydrolienne et des effets de confinement. Dans un premier temps, une étude sur l’aile oscillante comparant deux niveaux de modélisation de la turbulence est présentée. Cette étude a permis de montrer que malgré la présence de structures turbulentes plus fines dans le sillage de l’aile avec le modèle Scale-Adaptive Simulation, les signaux de forces instantanées ainsi que les paramètres moyens de performance sont très similaires à ceux obtenus avec le modèle Spalart-Allmaras qui est de fait utilisé pour simuler l’hydrolienne HAO complète. Ensuite, l’hydrolienne HAO constituée d’une paire d’ailes oscillantes à l’intérieur de sa structure est simulée. La technique de maillage par grilles superposées est utilisée afin de simuler le mouvement relatif des différents corps. Cette représentation de l’hydrolienne a permis d’étudier l’impact de la structure de celle-ci sur ses performances et ainsi d’optimiser sa forme afin de maximiser l’extraction d’énergie. En plus d’améliorer les performances, le carénage optimisé permet d’atténuer la sensibilité de l’hydrolienne à un écoulement amont désaligné. Le troisième principal aspect étudié est l’impact du confinement sur les performances de l’aile oscillante. En effet, les parois d’un canal d’essais, la topologie des fonds marins ainsi que la proximité de la surface de l’eau sont susceptibles d’avoir un impact sur les performances hydrodynamiques d’une hydrolienne. Les simulations réalisées sur une aile oscillante à différents niveaux de confinement ont montré que la puissance extraite augmente avec le niveau de blocage, mais en plus, que cette relation est linéaire pour un confinement inférieur à 40%. Finalement, une technique est suggérée afin de corréler les performances de l’aile oscillante dans différents environnements confinés. / This master’s thesis focuses on a novel prototype of hydrokinetic turbine based on oscillating foils. This concept known as HAO, which stands for “Hydrolienne à Ailes Oscillantes”, has been under development for about 10 years at Laval University and its potential in power extraction has been confirmed through numerical and experimental studies. Efforts are now focused on developing tools to predict the turbines behavior prior to its deployment in rivers or tidal streams. To achieve this goal, computational fluid dynamics (CFD) is used to investigate the impact of different parameters on the power-extraction performance of the HAO turbine. This study describes, among other things, the influence of the turbulence modeling, the presence of the frame structure and the blockage effects. First of all, a methodological study performed on a single oscillating foil is presented which compares two different turbulence modeling approaches. This work has shown that even if the Scale-Adaptive Simulation model presents finer structures in the wake of the foil, instantaneous forces and mean performance parameters closely match the results obtained with the Spalart-Allmaras model which is thus used to simulate the complete HAO hydrokinetic turbine prototype. In a second study, the HAO hydrokinetic turbine is simulated considering two hydrofoils oscillating within the frame structure. The overset mesh technique is used to represent the relative motions of the different bodies. This methodology allows to study the impact of the frame structure on the turbine performance and to optimize its shape in order to increase the power extracted. In addition to the enhanced performances, the optimized frame shape provides an improved robustness to misaligned upstream flows. The third principal aspect addressed in this thesis is the impact of flow confinement on the performance of oscillating-foils. In fact, towing tank walls, sea and river bed topology and free surface proximity are likely to have an impact on the turbine hydrodynamic performance. Simulations of a single oscillating foil for different blockage levels have shown that the power extracted increases with the blockage ratio, but more precisely that this relation is linear for confinement of less than 40%. Finally, a technique is suggested to correlate the performance of the oscillating-foils turbines in different confined environments.