Controlling the thermo-elastic behavior of tooling machines can only be achieved by systematic analysis, characterization and design of their fluidic system. In the first stage of this project, fundamental work was done to develop simulation methods for the calculation of the thermodynamic behavior of a representative example of a milling machine and each of its components. With experimental and numerical data it was proven, that significant improvement can be achieved by a proper design of heat transfer conditions of the fluidic system. To correct and counterbalance thermo-energetic effects, it will be necessary to develop new structures of the tooling machines systems which ensure the temperature-control of local subsystems in dependence of the actual working process. The work which is documented in this paper deals with the thermodynamic behavior of the motor spindle.

Une étude numérique et des investigations expérimentales sont menées sur une bulle de Taylor ascendante au passage d’une contraction ou d’un élargissement brusque dans un liquide Newtonien stagnant. Le code CFD est issu du logiciel libre Gerris utilisant la méthode VOF (Volume Of Fluid) pour représenter l’interface liquide-gaz. La méthode numérique est vérifiée en utilisant les résultats existants sur des bulles de Taylor ascendantes dans des colonnes droites. L’étude expérimentale permet d’étudier une bulle d’azote dans un mélange eau-glycérol pour différentes concentrations. Le rapport des diamètres de la conduite varie de 0,69 à 1,72. Les images de la bulle montante dans les singularités sont capturées par une caméra haute vitesse. Les variations de vitesse de la bulle et de l’épaisseur du film liquide sont étudiées. Les résultats montrent que l’élargissement brusque avec un rapport de diamètres plus élevé entraîne plus de perturbations sur la bulle avec de forts effets sur sa queue. Les queues de bulles instables sont coupées en petites bulles dans certains cas et une carte d’écoulement permet de le prédire. En outre, il a été observé que les variations de la forme de la bulle dépendent de la longueur des bulles. En ce qui concerne la bulle passant par une contraction, le phénomène de blocage a été observé et une carte de prédiction a été proposée. Finalement, cette étude, basée sur un intervalle assez large du nombre d’Eötvös et du rapport de diamètres, propose de nouvelles connaissances pour mieux comprendre l’ascension d’une bulle de Taylor dans les singularités. / Numerical simulations and experimental investigations of rising individual Taylor bubble through a vertical sudden expansion and contraction in stagnant Newtonian liquid is presented. The CFD procedure is based on the open source package Gerris which adopts the volume-of-fluid (VOF) method to represent the gas/liquid interface. The numerical method is verified using the existing results of single Taylor bubbles rising in straight columns. The experiments investigate a nitrogen bubble rising in a water-glycerol mixture for different concentrations. The pipe diameter ratio ranges from 0.69 to 1.72. The images of the bubble rising through the singularities are captured by a high-speed camera. Our investigations focus on the transient process of the bubbles passing the singularity. The variations of the bubble velocity and the liquid film thickness are investigated. The results show that the greater expansion ratios yield more perturbations on the bubbles and have strong effects on the tail of the bubble. The unstable bubble tails are cut off into smaller bubbles in some of the test cases and a bubble break-up regime map obtained by simulations has been proposed. The bubble shape variations depend also on the length of the bubbles. For a bubble passing through a contraction, the blocking phenomenon has been observed and a map has been proposed. Finally, this study, based on a large range of Eötvös numbers and expansion/contraction ratios, provides new insights to better understand the effect of singularities on rising Taylor bubbles.

Controlling the thermo-elastic behavior of tooling machines can only be achieved by systematic analysis, characterization and design of their fluidic system. In the first stage of this project, fundamental work was done to develop simulation methods for the calculation of the thermodynamic behavior of a representative example of a milling machine and each of its components. With experimental and numerical data it was proven, that significant improvement can be achieved by a proper design of heat transfer conditions of the fluidic system. To correct and counterbalance thermo-energetic effects, it will be necessary to develop new structures of the tooling machines systems which ensure the temperature-control of local subsystems in dependence of the actual working process. The work which is documented in this paper deals with the thermodynamic behavior of the motor spindle.

L’évolution actuelle des exigences en termes de performance énergétique des bâtiments a fait apparaître de nouveaux enjeux et problématiques scientifiques, dont ceux liés à l’humidité. Cette étude s’appuie sur une cellule expérimentale construite sur la technologie des maisons à ossature bois et soumise aux conditions climatiques réelles de Grenoble. L’instrumentation de ce bâtiment et le suivi de l’évolution en température et en humidité dans les différentes couches de l’enveloppe permettent de définir des séquences nécessaires à la validation de modèles numériques. Dans cet objectif, un modèle existant nommé HAM-Tools a été utilisé pour simuler les transferts couplés de chaleur, d’air et d’humidité à l’échelle du bâtiment. La démarche de validation a été décomposée en plusieurs étapes, de manière à cibler des transferts spécifiques et d’en améliorer la modélisation. Ces études localisées concernent les transferts couplés de chaleur et de masse à travers les parois solides, la modélisation des transferts de chaleur à travers une lame d’air ventilée et enfin la modélisation du renouvellement de l’air intérieur en conditions naturelles. Pour estimer la précision globale du modèle, c'est-à-dire à l’échelle du bâtiment, une séquence expérimentale a été simulée en prenant en compte l’ensemble des transferts couplés simultanément. Les performances du modèle sont discutées à partir des mesures locales, c'est-à-dire dans les parois, puis globales. La bonne concordance entre mesures et résultats de simulation permet de conclure sur la validité et la généricité de la démarche mise en œuvre et les hypothèses de simulation. Plus particulièrement, il est apparu que l’outil de modélisation permet de prédire correctement le comportement moyen des parois en humidité et en température. Il est donc envisageable de l’utiliser pour simuler et estimer l’impact des constituants des parois en termes de durabilité, de performances énergétiques et de confort de l’occupant. / As energy saving is so important in buildings nowadays, envelopes performances have to be more efficient and have to deal with more obligations, such as moisture accumulation and mould growth. This study relies on an experimental wooden frame house exposed to the natural conditions of Grenoble, France. It has been widely instrumented so the wall’s temperature and humidity is monitored at different depths. As a consequence, complete dataset are available and can be used to validate numerical model. In this work, an existing numerical model named HAM-Tolls has been used to simulate the heat, air and moisture coupled transfers at the building scale. The method developed here consists in validating the numerical model step by step, with studying specific transfers separately. The first step deals with heat and mass transfers across the walls. Then, the heat transfers across a ventilated air gap and the air change rate under natural conditions have been studied much in detail. The final step of this works consists in simulating simultaneously every transfer at the building scale. This latest simulation’s results were compared both on a local and on a global point of view with the measurements. As they were found to be in good agreement, this allows concluding on the methodology efficiency, the validity of the modelling assumption and gives good hope with extending this methodology to other studies. Specifically, the simulation tool is able to predict correctly the average temperature and humidity content within the walls. Therefore, it should be suitable with estimating the wall components influence on the wall durability, its energy efficiency and its impact on the occupant’s thermal comfort.

Le renforcement de structures ou d'éléments de structure par collage de plats PRF (polymères renforcés de fibres) est une technique actuellement reconnue et utilisée dans le monde entier. Il permet d'augmenter la durée de vie des structures existantes ce qui est très intéressant du point de vue développement durable et est souvent plus intéressant d'un point de vue économique. La première partie de ce travail s'intéresse au renforcement de poutres béton armé par des plats PRF. En effet, ce type de renforcement peut engendrer une rupture prématurée de type peeling-off. Ce mode de ruine très fragile résulte du décollement du béton d'enrobage qui reste collé au matériau de renforcement. Pour une conception optimale d'un renforcement en flexion par collage, il est important d'être en mesure de prévoir ce type de rupture et d'en tenir compte dans le dimensionnement. Pour cela, un modèle numérique fiable de type élasto-plastique est dans un premier temps présenté qui permet de prévoir la rupture de type peeling-off. Ce modèle est validé à l'aide de résultats d'essais expérimentaux. Les paramètres principaux affectant l'efficacité du renforcement sont ensuite mis en évidence dans le cadre d'une étude paramétrique. Les résultats de cette étude sont mis en parallèle avec des résultats d'essais de la littérature prouvant ainsi l'efficacité du modèle proposé. Enfin, plusieurs mesures sont proposées pour améliorer la performance du renforcement et éviter la rupture prématurée de peeling-off. La deuxième partie de ce travail s'attache quant à elle à l'étude de renforcement de tabliers de ponts soumis aux efforts éventuels d'impact d'un véhicule sur une barrière de sécurité. Une campagne expérimentale composée de différentes configurations de dalles est d'abord réalisée. Un modèle numérique s'inspirant du modèle proposé précédemment est ensuite présenté. La confrontation des résultats expérimentaux et numériques montre une concordance encourageante avant la fissuration majeure de la dalle. Enfin, les résultats mettent en relief l'efficacité du renforcement par des plats PRF dans le cas de glissières de sécurité / Strengthening of structures by bonding FRP plates (fiber reinforced polymer) is a technique currently recognized and used worldwide. This method is a viable solution to costly replacement of deteriorating structures and increases the life of reinforced structures. The first part of this doctoral work focuses on the strengthening of reinforced concrete beams with FRP plates and more precisely on a premature failure caused by this type of reinforcement called peeling-off or concrete cover separation. This brittle failure mode which prevents the strengthened RC beams from attaining their ultimate flexural capacity involves the tearing-off of the concrete cover along the level of tension steel reinforcement starting from a plate end. The first step for a successful, safe and economic design of flexural strengthening using FRP composite at the bottom of the beam is then to predict such failure and to take it into account in design. A reliable numerical model analysis which is validated by test results is first presented to predict ultimate loading capacity and the failure mode of RC beams in a four-point bending setup. The main parameters affecting the efficiency of the reinforcement are then highlighted in a parametric study. The results of this study are compared with test results in the literature demonstrating the efficiency of the proposed model. Finally, several measures are proposed to improve the performance of the strengthening and in order to avoid the premature rupture of peeling-off. The second part of this work is concerned with the strengthening study of a bridge deck subject to eventual loads generated by a car crash into a safety barrier. A series of equivalent impact tests is first performed on deck slabs. A numerical model inspired by the previously proposed model for RC beams is then presented. Comparisons between the predictions of the numerical model and test results show a good agreement before the major cracking of the slab. Finally, the results highlight the efficiency of FRP plates in the case of safety guardrails

Efficiency improvement is an important aspect to reduce the use of fossil-based fuel in order to achieve a sustainable future. Gas turbines are mainly fossil-fuel based turbomachines, and, therefore, efficiency improvement is still the subject of many on-going research activities in the gas turbine community. This study is incorporated into a research project that investigates design possibilities of efficiency improvement at the high pressure turbine (HPT) stage. In the search for HPT-stage efficiency gains, leading edge (LE) contouring near the endwall is one of the methods found in the published literature that has shown a potential to increase the efficiency by decreasing the amount of secondary losses. The overall objective of the thesis is to contribute to the development of gas turbine efficiency improvements in relation to the HPT stage. Particularly, the influence of the LE fillet on losses and flow structure is investigated concentrating on the secondary flow. The core investigation is of an experimental nature. Detailed investigations of the flow field in an annular sector cascade (ASC) are presented with and without the LE fillet, using a geometric replica of a modern gas turbine nozzle guide vane (NGV) with a contoured tip endwall. Furthermore, a separate investigation is performed on a hub-cooled NGV, which focuses on endwalls, specifically the interaction between the hub film cooling and the mainstream (MS). The experimental investigations indicate that the LE fillet has no significant effect on the flow and energy losses of the investigated NGV. The reason why the LE fillet does not affect the losses might be due to the use of a three-dimensional vane with an existing typical fillet over the full hub and tip profile. Findings also reveal that the complex secondary flow depends heavily on the incoming boundary layer. Oil flow visualisation for the baseline case displays a clear saddle point, with a separation line where the horseshoe (HS) vortex separates into the suction side (SS) and the pressure side (PS), whereas for the filleted case, the saddle point is not noticeable. The investigation of a cooled vane, using a tracer gas carbon dioxide (CO2), reveals that the upstream platform film coolant is concentrated along the SS surfaces and does not reach the PS of the hub surface, leaving it less protected from the hot gas. / För att åstadkomma en uthållig kraftproduktion i framtiden och en minskning i användandet av fossila bränslen är effektivitetsförbättringar av central betydelse. Gasturbiner är i grund och botten fossilbaserade turbomaskiner och därför bedrivs forsknings- och utvecklingsarbete kring verkningsgradsförbättringar. Den här studien ingår i ett forskningsprojekt som undersöker designmodifieringar med målet att höja verkningsgraden för ett högtrycksturbinsteg. Förändringar av bladets eller ledskenans framkantsgeometri nära ändväggarna har i den öppna litteraturen funnits vara en lovande metod för att minska ändväggsförlusterna. Det övergripande målet med denna studie är att bidra till utvecklingen av effektiva högtrycksturbinsteg för gasturbiner. Kärnan i undersökningen är experimentell. Särskilt påverkan från förändring av framkanten på förluster och flödesstruktur undersöks, med fokus på det sekundära flödet. Detaljerade strömningsundersökningar i ett bågformat statorgitter bestående av en geometrisk replika av en stator från en modern gasturbin presenteras, med och utan geometrisk förändring av framkanten. Vidare så genomförs en separat undersökning av en filmkyld ledskena utan framkantsförändring med fokus på interaktionen mellan filmkylningen vid inre ändväggen och huvudflödet. De experimentella undersökningarna visar att den undersökta geometriska förändringen av framkanten inte är av signifikant betydelse för strömningsförlusterna med den studerade ledskenan. Anledningen till att designförändringen inte påverkar förlusterna kan bero på användandet av en tredimensionell ledskena med en existerande typisk kärlradie mellan ledskenan och ändväggarna. Observationerna visar också att den komplexa ändväggsströmningen är starkt beroende av det inkommande gränsskiktets egenskaper. Oljevisualisering för referensledskenan visar en tydlig stagnationspunkt på ändväggen där gränsskiktet delas upp likt en hästskoformation i virvlar på sug- respektive trycksidan av ledskenan. För den modifierade framkanten har ingen tydlig stagnationspunkt på ändväggen observerats. Spårgasundersökningar med den filmkylda ledskenan visar att filmkylningen på den inre plattformen är koncentrerad längs sugsidan och når inte trycksidan på plattformen som därmed är mindre skyddad mot den varma gasströmningen. / QC 20120330