L'optimisation énergétique des procédés de fabrication demeure un axe de recherche d'actualité. Dans ce travail, nous proposons deux pistes d'amélioration concernant le procédé de la mise en oeuvre des matières plastiques. L’objectif recherché étant d’assurer la maîtrise du champ de température en tout point à la surface de l’outillage qui doit reproduire un champ consigne donné afin de chauffer un moule ayant une forme complexe. Pour ce faire, nous avons mis en place une stratégie de dimensionnement des sources thermiques des outillages (plateaux chauffants) utilisés dans l’industrie de la transformation des polymères (caoutchouc, plastiques et composites). La démarche retenue s'appuie sur l'hypothèse d'un transfert thermique 1D entre les plateaux chauffants et le moule. Les résultats numériques obtenus illustrent clairement l'intérêt que présente la technique proposée qui réduit le nombre de paramètres à optimiser tout en profitant de la puissance des calculs de type éléments finis. Les résultats montrent que la technique proposée est efficace. De plus, il a été montré que cette technique peut être utilisée pour réduire la consommation d'énergie. La seconde partie de ce travail, quant à elle, concerne l'implémentation d'un algorithme de commande afin de suivre au mieux une consigne de température donnée. Dans cette problématique, nous avons considéré successivement le plateau chauffant qui contient les éléments chauffants, puis le moule vide placé sur le plateau avant de compléter l'étude avec la prise en compte du cas d'un moule dont les empreintes sont remplies de polymère. Basé sur un modèle fin des transferts thermiques dans le système étudié, à la fois multi–entrées multi-sorties, un contrôleur MPC a été développé pour asservir, en temps réel et en boucle fermée, le système considéré. L'asservissement a été d'abord validé sur un banc numérique puis sur le banc expérimental avec des champs de température consigne dynamique et un contrôle au plus près des empreintes. / Energy optimization of manufacturing processes remains an up-to-day research topic. In this work, we propose two strategies of improvement concerning the process of plastic materials thermoforming. The aim underling this study is to ensure an effective control of the temperature field at any point on the surface of the heating tooling in order to deliver the needed energy amount by the mold. In order to do this, we have first implemented a strategy for designing the heating sources of tooling (heating plates) used in the polymer processing industry (rubber, plastics and composites). The approach adopted relies on the hypothesis of a 1D heat transfer between the heating plates and the mold. The numerical results obtained illustrate the advantage of the proposed technique which reduces the number of parameters to be optimized while taking advantage of the power of finite element calculations. The results show that the proposed technique is effective and can be furthermore used to reduce energy consumption. The second part of this work concerns the implementation of a control algorithm in order to follow at best a given temperature setpoint. In this problem, we considered successively the heating plate which contains the heating elements. After that, the study was extended to take into account the presence of an empty mold placed on the plate before completing the investigation by considering the case of a mold whose cavity is filled with a polymer. Based on a fine model of heat transfer in the studied system (heating plates, mold and polymer) and considering both multi-input multi-output, an MPC controller was developed for monitoring, in real time and in closed loop, the system under consideration. The control was validated on both digital and experimental setups with dynamic temperature setpoint fields.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2011-2012 / Ce mémoire présente la méthodologie et les résultats d'une étude numérique portant sur la modélisation et l'optimisation d'un système de chauffage par panneaux radiants hydroniques à faible masse thermique. L'objectif principal du projet est de fournir des données et de proposer des solutions au problème d'optimisation des performances énergétiques et du confort de tels systèmes. L'évolution du processus d'optimisation entrepris passe d'abord par une analyse détaillée de la modélisation du système, au terme de laquelle sont créés des modèles représentant la géométrie réelle des panneaux. Entre autres, un modèle semi-analytique est développé pour les panneaux avec configuration de tubes en serpentin et un modèle de volumes finis est développé pour les configurations de tubes en spirale. Les modèles choisis offrent la possibilité d'imposer des propriétés et des taux de transfert de chaleur non uniformes afin de représenter adéquatement la réalité lors d'un couplage avec l'environnement. Ces modèles servent ensuite à identifier l'effet de plusieurs paramètres de conception sur les performances énergétiques des panneaux radiants, d'abord dans un contexte découplé de l'environnement. Finalement, le problème complet du confort et de la demande énergétique de ces systèmes en climat hivernal québécois est traité dans la dernière partie du projet. Cette étape présente le couplage d'un modèle de dynamique des fluides numériques (DFN) avec le modèle semi-analytique de panneaux radiants pour tubes en serpentin développé préalablement. Le tout est intégré dans une pièce typique d'un bâtiment résidentiel afin d'analyser l'effet de la température d'entrée du fluide caloporteur ainsi que du positionnement et du dimensionnement des panneaux. Le modèle de DFN calcule les champs de vitesse de l'air, de température et de rayonnement dans la pièce pour fournir des valeurs locales du coefficient de transfert de chaleur au modèle de panneau radiant. Cette méthodologie permet de considérer le système de panneau radiant intégré à son environnement pour en optimiser les caractéristiques en regard du confort et de la performance énergétique.

L'objectif de ce travail est d'étudier les détails des écoulements et des transferts thermiques induits par convection naturelle au sein d'un canal (simulation bidimensionnelle) et au sein d'une cavité cubique (simulation tridimensionnelle) munis de blocs chauffants. La chaleur dégagée par les blocs résulte d'une génération volumique uniforme de la chaleur, d'une température chaude constante ou d'un flux surfacique uniforme. On utilise l'air (Pr=0.72) comme fluide. Les paramètres de l'étude sont le rapport des conductivités thermiques du bloc solide et du fluide (0.1≤k*≤200), le nombre de Rayleigh (〖10〗^4≤Ra≤〖10〗^7) et la hauteur relative des blocs (1/8≤B≤1/2). La détermination des conditions de validité du modèle à blocs isothermes et du modèle à blocs libérant un flux surfacique uniforme, en fonction du rapport des conductivités thermiques et des autres paramètres du problème, compte parmi les principaux objectifs de ce travail. Les résultats obtenus montrent que l'écoulement et le transfert thermique ainsi que les conditions de validité des modèles mentionnés sont fortement influencés par les paramètres de contrôle et par la multiplicité de solutions trouvée en régime convectif. / The object of this work is to study the details of the flow and heat transfer induced by natural convection in a channel (2D simulation) and in a cubic cavity (3D simulation) containing heating blocks. The heat released by the blocks results from a uniform volumetric heat generation, a constant hot temperature or a uniform surface flux. Air (Pr=0.72) is used as working fluid. The parameters of the study are the thermal conductivities ratio of solid blocks and fluid (0.1≤k*≤200), the Rayleigh number (〖10〗^4≤Ra≤〖10〗^7) and the relative height of the blocks (1/8≤B≤1/2). Among the main objects of this work is the determination of the conditions of validity of the model with isothermal blocks and the model with blocks releasing a uniform surface flux, as functions of the thermal conductivities ratio and the other parameters of the problem. The results obtained show that the flow and heat transfer and the conditions of validity of the models mentioned are strongly affected by the control parameters and the multiplicity of solutions found in the convective regime.