Ce mémoire développe la partie électrique du projet de l’hydrogénérateur à ailes oscillantes. Le but est de fournir à l’hydrogénérateur un système de conversion électromécanique avec son électronique de commande. Pour cela, deux types de machines électriques à aimants permanents ont été étudiées afin de déterminer celle qui officiera comme génératrice électrique. La forme du couple hydrodynamique impose le recours à un multiplicateur de vitesse. Un outil de dimensionnement du multiplicateur a été développé à partir d’une approche phénoménologique. Puis le dimensionnement d’inerties est évoqué dans le processus d’optimisation. Un outil d’optimisation complet de la conversion électromécanique a été élaboré en statique. Un autre outil pour la simulation dynamique a été mis au point afin de réaliser un asservissement de la vitesse de la turbine. Le convertisseur statique joue un rôle crucial puisqu’il doit maintenir une ondulation de vitesse de ±10% autour de la consigne pour valider le concept.

L'objectif principal de ce mémoire est de présenter le processus de conception qui a mené à la réalisation d'un prototype expérimental d'hydrogénérateur à ailes oscillantes de 1 kW. Ce dernier a été réalisé de manière à démontrer le potentiel d'extraction d'énergie d'un hydrogénérateur à ailes oscillantes et pour valider certaines prédictions numériques effectuées par le Laboratoire de Mécanique des Fluides Numériques (LMFN) de l'Université Laval. Une revue de littérature présentant tous les hydrogénérateurs à aile(s) oscillante(s) répertoriés dans la littérature et leur principe de fonctionnement est d'abord présentée. Ensuite, la conception et l'expérimentation d'un premier prototype de petite taille est montrée. Des observations pertinentes quant à la conception du prototype de 1 kW sont aussi incluses. Suit alors la description explicite de la conception de l'embarcation motorisée permettant de faire fonctionner le prototype de 1 kW, la présentation du choix de la topologie de mécanisme et son processus d'optimisation et une description détaillée du prototype de 1 kW lui-même. Les résultats expérimentaux obtenus avec le prototype de 1 kW sont présentés de façon sommaire. Une analyse approfondie de ces derniers sera effectuée par Kinsey ([1]).

Cette thèse concerne l’étude des ailes oscillantes flexibles et des méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première contribution concerne le développement d’un algorithme de couplage fluide-structure qui prend en charge les interactions entre un solide élastique en grands déplacements et un fluide incompressible. L’algorithme est basé sur une approche partitionnée et permet d’utiliser des codes numériques de mécanique des fluides et de mécanique des solides existants. L’utilisation d’un terme de compressibilité artificiel dans l’équation de continuité du fluide combinée à des choix algorithmiques judicieux permet d’utiliser cette méthode de couplage efficacement avec un code de mécanique des fluides utilisant une méthode de projection de type SIMPLE ou PISO. La seconde contribution est l’étude de l’effet de flexibilité des ailes sur le vol à ailes battantes. Deux principaux régimes de vol sont mis en évidence concernant la déformation de l’aile : déformation causée par la pression et déformation causée par l’inertie. Les effets de ces régimes sur la topologie de l’écoulement et sur les performance de l’aile en propulsion sont discutés. Il est montré que les cas avec des déformations causées par la pression présentent généralement des efficacités plus élevées avec une flexibilité modérée. Il en est de même pour la force de poussée lorsque l’amplitude de tangage est faible. D’autre part, lorsque les déformations sont causées par l’inertie, les performances de l’aile sont généralement réduites. Certains cas montrent une augmentation marginale des performances lorsque le synchronisme des déformations est optimal, mais ces cas représentent davantage une exception que la norme. Il est également démontré que la flexibilité peut être utilisée comme mécanisme de tangage passif tout en conservant des performances intéressantes. Enfin, un modèle d’aile oscillante flexible non contraint est présenté. Il est démontré que le mouvement de déviation observé dans la nature est une conséquence d’un phénomène aérodynamique de mise en drapeau. / This thesis concerns the study of flexible flapping wings and the related numerical methods. It thus contains two distinct themes. The first contribution is the implementation of an efficient fluid-structure interaction algorithm that handles the interaction of an elastic solid undergoing large displacement with an incompressible fluid. The algorithm is based on the partitioned approach and allows state-of-the-art fluid and structural solvers to be used. Stabilization with artificial compressibility in the fluid continuity equation along with judicious algorithmic choices make the method suitable to be used with SIMPLE or PISO projection fluid solvers. The second contribution is the study of the effects of wing flexibility in flapping flight. The different regimes, namely inertia-driven and pressure-driven wing deformations are presented along with their effects on the topology of the flow and, eventually, on the performance of the flapping wing in propulsion regime. It is found that pressure-driven deformations can increase the thrust efficiency if a suitable amount of flexibility is used. Thrust increases are also observed when small pitching amplitude cases are considered. On the other hand, inertia-driven deformations generally deteriorate aerodynamic performances of flapping wings unless meticulous timing is respected, making them less practical. It is also shown that wing flexibility can act as a passive pitching mechanism while keeping decent thrust and efficiency. Lastly, a freely-moving flexible flapping wing model is presented. It is shown that the deviation motion found in natural flyers is a consequence of a feathering mechanism.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / La présente thèse vise à améliorer notre compréhension de l’organisation interne des écoulements turbulents en analysant les caractéristiques des structures cohérentes dans une couche limite turbulente non canonique. L’écoulement étudié est la région externe d’une couche limite turbulente soumise à un gradient de pression adverse dans des con- ditions semblables à celles existant à l’extrados d’une aile d’avion à fort angle d’attaque en situation de décollement de bord de fuite. Diverses bases de données expérimentales et numériques ont été utilisées afin de réaliser les objectifs spécifiques de la thèse. Les principales bases de données ont été acquises en effectuant des mesures par vélocimétrie par images de particules (PIV) à deux composantes dans des plans dans une soufflerie à couche limite subsonique. Les autres bases de données ont été obtenues d’autres groupes de recherche ou ont été les anciennes bases de données de notre groupe. Deux grandes catégories de structures cohérentes, les structures à grande échelle de quantité de mouvement longitudinale et les structures tourbillonnaires, ont été prises en compte. Afin de détecter et de caractériser ces structures, de nouvelles techniques de reconnaissance de formes, de classification des structures et d’analyse statistique ont été mises au point. Il a été démontré que les structures cohérentes considérées sont présentes et fréquentes dans l’écoulement étudié. Les dimensions et l’organisation spatiale des structures à grande échelle sont généralement comparables à celles déjà rapportées pour de telles structures dans la région de recouvrement des couches limites turbulentes à gradient de pression nul. Il apparaît toutefois que le gradient de pression adverse affecte la fréquence d’apparition et la distribution des longueurs de ces structures allongées, surtout dans la partie inférieure de la région externe. Concernant les tourbillons, diverses analy- ses ont montré que des valeurs typiques de résolution spatiale et des niveaux typiques d’incertitudes aléatoires de mesures PIV ont des effets significatifs sur les paramètres des tourbillons. Les paramètres des tourbillons extraits des bases de données PIV exis- tantes doivent donc être interprétés avec prudence. En prenant en compte les effets de la résolution spatiale et des erreurs de mesure, nous trouvons que tous les paramètres des tourbillons, lorsque moyennés à travers la région externe, sont raisonnablement comparables dans les couches limites turbulentes à gradient de pression nul et adverse malgré le fait que ce sont des écoulements très différents. / The present thesis is an attempt to further enhance our understanding of the inner organization of turbulent flows by analyzing the characteristics of coherent structures in a non-canonical turbulent boundary layer. The flow studied was the outer region of an adverse-pressure-gradient turbulent boundary layer under external flow conditions similar to those found on the suction side of airfoils at high angle of attack with trailing edge detachment. Various experimental and numerical databases were employed in order to realize the specific objectives of the thesis. The main databases were acquired by performing two-component planar particle image velocimetry (PIV) measurements in a low-speed boundary-layer wind tunnel. The other databases were obtained from other research groups or were existing older database of the group. Two important categories of coherent structures, namely large-scale momentum structures and vortical structures were considered. In order to detect and characterize these structures novel techniques of pattern recognition, structure classification and statistical analysis were developed. It has been shown that the considered coherent structures are present and frequent in the present flow. The dimensions and arrangement of large-scale momentum struc- tures are generally comparable to those previously reported for such structures in the overlap region of zero-pressure-gradient turbulent boundary layers. It is however shown that the adverse pressure gradient affects both the frequency of appearance and the length distribution of these streaky structures especially in the lower part of the outer region. With regards to vortices, various analyses showed that typical values of spa- tial resolution and typical levels of random measurement uncertainties of planar PIV measurements have significant effects on the vortex parameters. The vortex parameters extracted from the existing PIV databases have therefore to be interpreted with caution. Taking spatial resolution and measurement error effects into account, it is found that all the vortex parameters, when averaged across the outer region, are reasonably com- parable in the zero-pressure-gradient and adverse-pressure-gradient turbulent boundary layers despite the fact that these are very different flows.

Cette thèse a été consacrée à l’étude en laboratoire plusieurs molécules d’intérêt astrophysique par spectroscopie par transformation de Fourier dans l’infrarouge lointain afin de montrer les possibilités offertes par cette gamme spectrale en matière de spectroscopie vibrationnelle et rotationnelle, notamment grâce à l’utilisation du rayonnement synchrotron. Nous nous sommes intéressés à des molécules relativement lourdes, dérivées du naphtalène, pour lesquelles nous avons pu observer les bandes de vibrations de plus basses fréquences. Nous avons également développé différents dispositifs de décharge permettant d’étudier la spectroscopie rotationnelle de molécules instables : molécules légères à haute température et radicaux de petite taille. / This thesis has been dedicated to the laboratory far-infrared Fourier transform spectroscopy of several molecules of astrophysical interest in order to demonstrate the interest of this spectral region for vibrational and rotational spectroscopy, in particular using synchrotron radiation. Low frequency vibrational spectra of nine naphthalene derivatives, relatively heavy molecules, have been studied. Several discharge set-ups have also been developed in order to study rotational spectroscopy of transient species: high temperature light molecules and small radicals.

Cette thèse expérimentale s'intéresse aux mécanismes fondamentaux de la propulsion par ailes battantes. Nous utilisons un modèle simplifié, constitué d'un aileron oscillant placé dans un tunnel hydrodynamique, qui nous permet d'établir un cadre d'études pour l'analyse des sillages produits. En particulier, nous étudions l'influence de la flexibilité de l'aileron sur ces sillages. Nous définissons un espace de paramètres à deux dimensions (fréquence et amplitude du battement), dans lequel nous identifions trois principaux régimes d'écoulements, associés à trois types de sillages tourbillonnaires. La technique de PIV nous permet d'analyser et quantifier précisément les paramètres physiques et géométriques des sillages observés. La force moyenne subie par l'aileron est estimée dans chacun des régimes, à partir d'un bilan standard de quantité de mouvement. Nous localisons ainsi la transition traînée-propulsion dans notre espace de phase. Nous montrons la performance propulsive supérieure des ailerons flexibles par rapport à un aileron rigide, et proposons quelques éléments d'explication à ce résultat.

Les insectes présentent une étonnante diversité morphologique dans les organes de vol, et cette évolution a conduit à leur rayonnement au sein du règne animal. L'une des modifications les plus frappantes est la transformation des ailes postérieures en structures d'équilibrage très réduites, appelées haltères. Des travaux pionniers chez la drosophile ont montré que la spécification des haltères est sous le contrôle du gène Hox Ultrabithorax (Ubx). En revanche, la formation des ailes antérieures est décrite pour être indépendante des gènes Hox, mais cette observation est controversée chez d’autres insectes. Au cours de mon doctorat, j'ai réexaminé le rôle des gènes Hox pour la spécification des organes du vol chez la drosophile. Mes travaux montrent que la protéine Hox Antennapedia (Antp) est exprimée à un niveau faible dans des cellules spécifiques du primordium de la marge et est nécessaire à la formation correcte de l’aile adulte. De manière étonnante, Antp peut également fonctionner comme Ubx et former un haltère quand la protéine est exprimée à des niveaux similaires à ceux de Ubx. Ainsi, la formation d’organes de vol divergents chez la drosophile est directement contrôlée par une dose spécifique de protéine Hox et non par une protéine Hox spécifique. Les gènes Hox sont intrinsèquement liés à l'évolution de la diversité morphologique chez les animaux. Par conséquent, le rôle de la dose des protéines Hox a également été testé d'un point de vue évolutif parmi plusieurs lignages d'insectes. Les résultats montrent que la dose de protéines Hox est à peu près la même entre les primordia antérieur et postérieur d’un insecte à quatre ailes comme Bombyx mori. Dans l’ensemble, mes résultats démontrent que la spécification des organes de vol n’est pas un programme Hox-indépendant et que la variation de la dose des protéines Hox est un moyen de modifier la taille et la forme de l’aile, pouvant ultimement aboutir à la création d’un tout nouvel organe d’équilibrage au cours de l’évolution des insectes. Enfin, au cours de mon doctorat, j'ai également participé à plusieurs projets parallèles visant à identifier et à caractériser le rôle des nouveaux cofacteurs des protéines Hox dans différents contextes développementaux, notamment la spécification de l’haltère et la répression de l'autophagie. Ces travaux s'appuient en partie sur la complémentation de fluorescence bimoléculaire (BiFC), une méthode que nous avons récemment couplée à la panoplie d'outils génétiques de la drosophile pour réaliser des criblages d'interactions protéine-protéine à grande échelle in vivo. / Insects display an astonishing array of diversity in flight appendage morphologies and theirevolution led to the catalyzed radiation of insects in the animal kingdom. The first definite modellinking the Hox genes to morphological evolution was demonstrated in Drosophila. One of themost striking modifications is the transformation of hindwings into highly reduced balancingstructures called halteres. Work in Drosophila established that the specification of halteres isunder the control of a single Hox gene, Ultrabithorax (Ubx). In contrast, the formation of forewingshas been described to be Hox-independent. During my Ph.D., I reconsidered the role of Hox genesfor flight appendage specification in Drosophila. I show that the Hox protein Antennapedia (Antp)is expressed at a low level in specific cells of the wing blade primordium and required for theproper formation of the adult wing. Moreover, Antp works like Ubx to form a haltere whenexpressed in the levels of Ubx. Thus, the formation of divergent flight organs in Drosophila is notdependent on a specific Hox protein but on a specific Hox dose.Hox genes are intrinsically linked to the evolution of morphological diversity in animals.Therefore the role of the Hox dose was also tested from an evolutionary point of view amongseveral insect lineages. Results show that the Hox dose is for example pretty much the samebetween the forewing and hindwing primordia of the four-wing insect species Bombyx mori.Altogether, my results demonstrate that the specification of flight appendages is not aHox-independent developmental program and that the variation in the Hox dose is a way tomodify the wing size and shape, ultimately leading to a completely new balancing organ duringinsect evolution.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2013-2014. / Cette maîtrise s’inscrit dans un projet multidisciplinaire de développement d’une hydrolienne à ailes oscillantes de seconde génération (HAO-2) au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Cette hydrolienne complètement submergée est composée de quatre ailes assemblées sur une base par gravité. Ce mémoire comporte deux volets. Le premier porte sur la conception des circuits de couplage pilonnement-tangage et d’extraction d’énergie de la HAO. Les solutions proposées et une vision de la HAO-2 seront présentées en détail. Un banc d’essai expérimental est conçu pour reproduire le circuit de couplage et simuler le mouvement et les efforts sur une aile. Il permet de démontrer la faisabilité du système élaboré et de déterminer son efficacité. Différents actionneurs de tangage ainsi que différents joints d’étanchéité sont analysés. Seulement les composantes offrant les meilleures performances sont présentées dans ce mémoire. Pour le couplage, un rendement maximal de 80% est mesuré. La modélisation des circuits hydrauliques nécessaire au second volet du projet a été calibrée sur les données expérimentales, notamment le frottement dans les joints d’étanchéité. Le second volet vise à modéliser sur le plan économique un parc HAO à différentes échelles et selon différentes conditions d’opération. Le programme dimensionne l’hydrolienne en fonction des conditions d’opération, puis en estime son coût de fabrication et l’énergie produite annuellement. Il calcule aussi le coût d’installation des turbines, le coût du réseau électrique et de son installation et finalement les dépenses en opération et maintenance (O&M). Le modèle tient également compte de la valeur de l’argent dans le temps en utilisant la valeur présente équivalente. Deux critères de performance sont utilisés pour les comparaisons, le coût de production (CP) et le coût de l’énergie (CE). Par ces critères, plusieurs analyses de sensibilité sont réalisées sur les paramètres importants du modèle. Sans aucun doute, le coût de fabrication et les frais d’O&M dominent largement le coût de l’énergie d’une HAO. Un site d’exploitation en particulier est étudié, près de l’Isle-aux-Coudres, sur lequel un CE de 20 ¢/kWh est obtenu pour un parc de 80 HAO de 1.25MW chacune. / This master’s thesis is part of a multidisciplinary project to develop a second generation of tidal oscillating wings turbine (HAO-2) at Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) from Laval University. This tidal turbine completely submerged is composed of four wings assembled on gravity-based structure. This work has two parts. The first one focuses on the hydraulic circuit design of the pitch-heave coupling and the energy extraction system. Proposed solutions and a vision of the HAO-2 will be presented in detail. An experimental apparatus is designed to reproduce the coupling circuit and simulate the motion and forces on a wing. It allows to demonstrate the developed system feasibility and determine its efficiency. Various actuators and seals are analyzed. Only components with the best performances are presented in this paper. For the coupling system, a maximum efficiency of 80% is measured. Hydraulic modeling necessary for the second phase of the project has also been calibrated on experimental data, especially, friction in seals. The second part treats the economic modeling of a tidal turbine farm at different scales and in different operating conditions. The program designs the turbine depending on the operating conditions, and then, it estimates the construction cost and it calculates the annual energy extracted. It also calculates the installation cost, the electricity infrastructure and their installation cost and finally the operation and maintenance cost (O&M) throughout the farm life time. The model also takes into account the value of money over time by using the net present value. For the cases comparison, the production cost (CP) and the energy cost (CE) are used. Several sensitivity analyses are carried out on the important parameters of the model. As would be expected, the construction cost and the O&M cost are key factors governing the energy cost of HAO. A particular site is studied, near the Isle-aux-Coudres, which a energy cost about 20 ¢/kWh is obtained for a farm with 80 HAO of 1.25MW each.

Nous étudions dans cet ouvrage les archers dans l'armée romaine. Nous établissons leur visage de la fin de la République romaine jusqu'à Trajan à travers les sources littéraires, épigraphiques et archéologiques. Nous examinons par la suite l'efficacité de leurs armes et tentons de montrer qu'elles peuvent refléter un véritable travail technique grâce à une étude métallographique, complétée par des analyses physico-chimiques, du mobilier de pointes de flèche découvert au Puy d'Issolud (Lot), l'antique Uxellodunum: l'objectif principal étant la caractérisation, pour ces armes, des structures métallurgiques, des distributions, des morphologies et compositions des phases et des constituants présents. Il est dès lors possible d'imaginer les différents protocoles d'élaboration et les traitements thermo-mécaniques développés par les forgerons pour leur mise en forme et d'apporter de nouveaux éléments à l'histoire des techniques de la forge en relation avec l'armée romaine et plus particulièrement avec les corps et l'armement des archers.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.