Depuis plus de 10 ans, l'étude de microsystèmes (MEMS : MicroElectroMechanical Systems) permettant la génération de puissance à petite échelle a fait l'objet d'une multitude de recherches dans le but d'offrir une meilleure alternative par rapport aux piles électrochimiques. Les premières études portant sur les microturbines à gaz ont permis de révéler le potentiel des micromachines rotatives pour l'implantation de micro centrales d'énergie sur une puce. La conception et la fabrication d'une première génération de microturbopompe ont permis d'établir les lignes directrices pour la conception d'une microturbine à cycle Rankine. Pour le bon fonctionnement d'un tel dispositif et pour en améliorer ses performances, il est important de mieux comprendre le comportement des écoulements internes influant sur le mouvement du rotor puisqu'ils ont été très peu étudiés. Le but de la présente recherche est d'effectuer une étude détaillée des composantes secondaires de la microturbopompe précédemment développée afin d'approfondir la compréhension des phénomènes en jeu lors de son opération. Dans la présente étude, des investigations expérimentales et des modèles approfondis ont été faits sur les joints d'étanchéité hydrodynamiques, le palier axial hydrostatique, le palier radial hydrostatique et l'écoulement radial secondaire. Combinée avec la modélisation de la turbine multiétage et de la pompe hydrodynamique, l'intégration simultanée de toutes les composantes a mis en évidence les interactions possibles entre les composantes. Ainsi, une nouvelle configuration d'opération a été proposée permettant d'atteindre un niveau de performance similaire aux essais antérieurs (295 kRPM), mais avec une pression d'alimentation du palier axial réduite considérablement ([environ]50%). Cette réduction de pression permet de se rapprocher davantage de l'opération avec des paliers autosuffisants qui a même été expérimentée, pour une première fois, à basse vitesse (77 kRPM). L'étude des joints d'étanchéité a démontré leur performance à haute vitesse (50 kPa à 190 kRPM) et l'importance bénéfique des effets de tension de surface. La pompe hydrodynamique a été caractérisée expérimentalement pour la première fois avec un écoulement externe, montrant que sa performance est limitée par le joint d'étanchéité. Pour la pompe avec un écoulement interne, un débit massique de 12 mg/s a été pompé à une vitesse de 180 kRPM. Une différence notable a été mesurée entre les deux types pompes implantés confirmant, pour une première fois, l'effet des forces centrifuges sur les performances de la pompe hydrodynamique. L'amélioration de la modélisation du palier axial a permis d'évaluer la position axiale du rotor en utilisant les pertes de pression et les débits massiques mesurés expérimentalement dans le palier axial. La forte rigidité angulaire du palier axial a également été mise en évidence. Finalement, les écoulements et le comportement dynamique du palier radial ont été étudiés analytiquement et expérimentalement, permettant de définir de nouveaux critères de conception afin d'éviter l'apparition d'instabilités dynamiques. L'étude plus approfondie des composantes secondaires de la microturbopompe a permis d'améliorer la compréhension des phénomènes dominants lors de son opération. Une base de compréhension supplémentaire a donc été établie pour le développement de micromachines rotatives telles que la microturbine à cycle Rankine et les microturbines à gaz.

Les garnitures d'étanchéité sont utilisées pour assurer l'étanchéité d'arbres tournants lorsque les conditions de vitesse, de pression et de température ne permettent pas l'utilisation de joints classiques en élastomère. Pour un fonctionnement optimal, les deux bagues constituant une garniture doivent être séparées par un film fluide très mince afin d'éviter l'usure des faces du joint tout en limitant la fuite à une valeur acceptable. L'élévation de température due au frottement visqueux modifie considérablement les conditions de lubrification de l'interface du joint. Les phénomènes thermiques jouent donc un rôle essentiel dans les joints d'étanchéité à faces radiales et constituent le sujet de recherche de cette thèse de doctorat. Une analyse bibliographique approfondie a permis de définir les hypothèses nécessaires à une modélisation théorique du comportement thermoélastohydrodynamique des garnitures d'étanchéité. Les équations de conservation dans le film fluide ont été établies puis discrétisées par la méthode des éléments finis dans l'hypothèse d'un fonctionnement stationnaire. La résolution de l'équation de l'énergie a nécessité l'utilisation d'un schéma numérique adapté aux problèmes de convection. Les échanges de chaleur avec les anneaux du joint et les déformations thermoélastiques sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. Un algorithme itératif permet la détermination des champs tridimensionnels de pression, de vitesse et de température au sein du film fluide dans le cas d'écoulement laminaire et turbulent. L'étude paramétrique réalisée avec le modèle numérique contribue à une meilleure connaissance de l'influence des conditions de fonctionnement, des paramètres de conception et des défauts géométriques sur les performances d'une garniture d'étanchéité. En outre, des relevés de température effectués par thermographie infrarouge sur un joint expérimental développé à cet effet, ont permis de valider le modèle numérique.

Les travaux de recherche portent sur un procédé d’élaboration par pressage de joints en vermiculite et sur l’étude de la structure multiéchelle et les propriétés d’étanchéité des joints. La vermiculite a été traitée aux ultrasons pour obtenir des poudres. Des joints ont été élaborés à partir des poudres de vermiculite. Les pores interparticulaires du joint sont connectés et orientés préférentiellement d’après les observations par MEB. Leur dimension mesurée par porosimétrie mercure diminue avec l’augmentation de pression.Les propriétés d’étanchéité ont été étudiées aux températures inférieures à 800°C en mesurant les taux de fuites à l’hélium, ainsi que les taux d’écrasement et de décompression. La fuite comprend deux composantes : la fuite de contact déterminée par l’interface entre les joints et la bride, et la fuite de perméabilité liée à la porosité des joints. / Vermiculite gasket materials were obtained from powders obtained by sonication of vermiculite. The materials were formed of oriented stacked vermiculites platelets. The porous structure characterized by mercury porosimetry, SEM observations, was described. Vermiculite gaskets obtained by pressing powders, were studied for their sealing properties: leak rate and elastic resiliency.

L'impact des émissions fugitives sur l'environnement est un enjeu capital pour les industries. Ainsi, de nombreuses réglementations et normes sont établies afin de prévenir des risques et limiter leurs impacts. L'une des sources majeures de ces émissions provient de la robinetterie industrielle. Dans ce domaine, l'un des systèmes les plus communs est le presse-garniture. Dans le secteur de l'Energie, l'étanchéité peut être garantie sur les éléments mobiles par un empilement de bagues en Graphite Expansé Matricé (GEM); matériau relativement souple, plébiscité pour ses caractéristiques et ayant une structure macroscopique particulière. Ces travaux de thèse s'intéressent à la compréhension du comportement mécanique complexe des solutions d'étanchéité de type GEM. L'objectif est de déterminer le comportement mécanique de ces garnitures afin de prédire leur étanchéité. Dans le but de caractériser ce comportement, diverses campagnes d'essais sont menées sur des joints en situation. Ainsi, sur la base d'un montage existant et d'un dispositif développé spécifiquement pour cette étude, la caractérisation de ce type de joints est effectuée via des essais de compression charge-décharge et cyclique. La base de données qui en résulte permet le développement d'un modèle numérique apte à décrire le comportement complexe de ces systèmes presse-garnitures. Ce modèle phénoménologique de type Hyperélasto-Hystérésis (HH) correspond à une loi additive en contrainte avec une contribution hyperélastique et une contribution hystérétique. La comparaison des réponses expérimentales et numériques du joint, dans le cadre de l'étude d'un seul joint mais également pour des empilements, est discutée. / The impact of fugitive emissions leakage rate on the environment is an essential issue for industries. Therefore, many regulations and standards are created to prevent risks and to limit their impacts. One of these major sources of fugitive emissions comes from industrial valves. In the Valve Industrie, the tightness of stem are often ensured by stuffing box seal. In the energy sector, the tightness could be ensure with compression packing which is manufactured in exfoliated graphite; which is a relatively flexible material, endorsed for its characteristics and having a particular macroscopic structure. The aim of this study is to improve the knowledge of the complex mechanical behaviour of compression packing in exfoliated graphite. The aim is to determinate the mechanical behaviour of these packings in order to predict their tightness. To characterize this behaviour, various test campaigns are conducted on seals in situation. Thus, based on an existing apparatus and a device developed specifically for this study, the characterization of this kind of packing is performed through loading-unloading and cyclic compression tests. A numerical model which is able to describe a complexe mechanical behaviour of compression packing, is performed thanks to resulting database. This Hyperelasto-Hysteresis phenomenological model corresponds to an additive decomposition in stress with an hyperelastic contribution and an hysteretic contribution. The comparison of the experimental and numerical responses of the seal, as part of the study a single seal but also of a packing, is discussed.

Les garnitures mécaniques assurent l'étanchéité d'arbres tournants. L'augmentation des contraintes de fonctionnement a conduit au développement de garnitures à gaz fonctionnant sans contact des faces, séparées par un film fluide de très faible épaisseur. Le frottement entre les anneaux de la garniture, et donc l'usure, est évité.<br />L'étude bibliographique révèle que peu de travaux sur les garnitures pour gaz à hautes pressions ont été réalisés. Les caractéristiques d'un écoulement à haute pression sont examinées et les points-clefs du modèle sont définis : gaz réels, effets d'inertie, effets thermiques, écoulement bloqué. A hautes pressions, le comportement du gaz diffère de celui d'un gaz parfait, un modèle de gaz réel est donc développé. L'équation de Reynolds pour un fluide compressible est modifiée afin de prendre en compte les effets d'inertie. Les effets thermiques dans l'écoulement sont également introduits dans le modèle. L'écoulement bloqué à la sortie du film fluide est résolu grâce à une méthode originale. Les déformations des solides et le couplage thermique sont pris en compte par la méthode des coefficients d'influence. La méthode des éléments finis est utilisée pour la discrétisation des équations et un algorithme itératif permet la détermination des champs de pression et de température. La comparaison avec une solution analytique et des données expérimentales permet de valider le modèle. L'influence du modèle du gaz est présentée. L'étude paramétrique menée avec le modèle numérique permet d'étudier l'influence des effets d'inertie sur l'écoulement par rapport au cas purement visqueux. Finalement, le couplage fluide-solides est étudié. Cette analyse montre que les déformations des faces influencent notablement le comportement des garnitures.

Cette étude visait à évaluer l’efficacité de différentes techniques de protection à prolonger la durée de vie des infrastructures en béton susceptibles d’être atteintes de corrosion des armatures. L’objectif principal du projet était de fournir des informations quantitatives sur l’influence de certaines des stratégies les plus couramment utilisées pour protéger les ouvrages contre la pénétration de l’humidité et des ions chlorure ainsi que pour contrôler l’initiation et la propagation de la réaction de corrosion. Ainsi, l’impact de l’utilisation de scellants non coupe-vapeur, de membranes et de produits inhibiteurs de corrosion (migrateur et adjuvant) a été étudié. Les différents traitements ont été testés sur des corps d’épreuve pré-conditionnés de manière à présenter quatre niveaux de contamination et de détérioration : état vierge non corrodé, état contaminé par les ions chlorure mais non corrodé, état de corrosion initiée et état de propagation de la corrosion. Un des objectifs spécifiques de cette étude était d’évaluer l’influence des différents traitements sur l’évolution de facteurs comme la distribution interne de l’humidité relative, la distribution des ions chlorure ainsi que l’activité de corrosion. Pour ce faire, 51 dalles de béton armé ont été fabriquées et exposées à des cycles de mouillage (brouillard salin) et de séchage dans une chambre environnementale. Afin de caractériser l’évolution de l’activité de corrosion propre à chaque condition, un suivi électrochimique des éléments comportant des mesures de potentiel électrochimique et de résistance à la polarisation linéaire a été assuré. À la suite de la période de cyclage dans la chambre de brouillard salin, une autopsie a été pratiqué sur une sélection de corps d’épreuve. Cette opération avait pour but de dégager les barres d’armature de manière à caractériser les zones anodiques. / This study aimed at evaluating the capacity of various protection techniques to extend the service-life of concrete infrastructure affected by reinforcement corrosion. The main objective of this project was to provide quantitative information on the influence of some of the most commonly used strategies in practice to protect reinforced concrete structures against the initiation and propagation of corrosion, respectively non-vapor barrier sealants, waterproofing membranes and corrosion inhibitors products (penetrating and admixture). The various treatments were tested on laboratory-size concrete test slabs pre-conditioned in such a way to exhibit four different stages of contamination and deterioration: virgin, contaminated by chlorides but not corroded, corrosion initiated and corrosion propagating. A specific objective of this study was to evaluate the influence of different treatments on the evolution of various factors such as the internal distribution of relative humidity, the distribution of chlorides and the corrosion activity. Through two successive experimental phases, 51 test slabs were produced and subjected to cycles of wetting (salt spray) and drying in an environmental chamber. In order to monitor the evolution of the corrosion activity for each condition, half-cell potential and linear polarization measurements were carried out on all specimens at regular time intervals. Following the period of cycling in the salt spray chamber, an autopsy was performed on a selection of tested slabs in order to expose the reinforcing steel rebars and allow a characterization of the anodic areas.

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.

Parmi l’ensemble des matériaux constitutifs d’une couverture d’installation de stockage de déchets, l’argile et le GéoSynthétique Bentonitique (GSB), couramment utilisés, peuvent présenter des défauts qu’il est nécessaire de caractériser afin de prévoir les éventuels travaux de remise en état partielle ou totale du site. L’objectif de cette thèse est de déterminer la capacité des méthodes géophysiques de Tomographie de Résistivité Electrique (TRE), de Polarisation Spontanée (PS) et d’Automatic Resistivity Profiling (ARP) à caractériser les couvertures. Pour cela, un site expérimental constitué de deux couvertures, au sein desquelles des défauts ont été volontairement créés, a été mis en place. Le suivi temporel effectué sur la couverture sans GSB a montré que les conditions météorologiques du mois précédant les mesures ont une incidence sur la détection des défauts. De plus, les variations de comportement hydrique et électrique détectées en TRE au sein du matériau de couverture ont notamment pu être attribuées à l’existence d’hétérogénéités de composition. La présence de GSB rend plus difficile la détection des défauts quelle que soit la méthode utilisée. Cependant, il semble que le temps passant l’évolution du GSB permette une détection plus aisée. Enfin, les prospections effectuées sur une installation de stockage de déchets dangereux ont mis en évidence la nécessité de coupler plusieurs méthodes géophysiques. L’hétérogénéité des matériaux de couverture et de l’état du GSB, mise en évidence par la TRE, a été confirmée par des observations in situ sur des sondages à la tarière manuelle. / Among the whole landfill cover materials, clay and Geosynthetic Clay Liner (GCL), commonly used, may contain defects which are necessary to characterize in order to plan possible repair work, partial or total. The aim of this thesis is to define the ability of the following geophysical methods, the Electrical Resistivity Tomography (ERT), the Self Potential (SP) and the Automatic Resistivity Profiling (ARP) to characterize covers. To do this, an experimental site composed of two covers in which defects have been intentionally made has been built. These covers are composed of a clayey material upon which a GCL has been placed for one of these covers. The monitoring performed on the cover without the GCL has outlined that the climatic conditions of the month preceding measurements have an impact on the defects’ detection. Moreover, hydric and electrical behavior variations detected by ERT in the clayey material have in particular be linked with the presence of composition heterogeneities. The presence of the GCL makes more difficult the detection of defects whatever the method used. However, it seems that, over time, the evolution of the GCL enables an easier detection. Finally, surveys carried out on an industrial waste landfill have shown the necessity of coupling geophysical methods. The heterogeneity of the cover materials and the GCL has been checked by manual auger holes.