Cette thèse porte sur l’étude des ondes et instabilités dans les écoulements tournants à surface libre. On s’intéresse en particulier à la situation générique d’un récipient cylindrique partiellement rempli d’un fluide incompressible et dont le fond est en rotation rapide. En particulier, la formation de motifs connus sous le nom de polygones tournants ainsi que des phénomènes d’alternance temporelle nommés switching et sloshing est considérée. Dans ce but, des analyses de stabilité globale sont présentées en considérant des champs d’écoulement de base modèles tels que la rotation solide (seau de Newton), la rotation potentielle et le tourbillon de Rankine. Egalement, quelques résultats expérimentaux originaux obtenus lors d’un séjour au DTU (Copenhague) sont présentés. Les analyses de stabilité globales permettent de montrer que diverses familles d’ondes sont présentes dans ces configurations, à savoir des ondes de surface gravitaires et centrifuges, des ondes inertielles, des ondes de Rossby et des ondes de Kelvin-Kirchhoff. Il est constaté que le seau de Newton est toujours stable dans la gamme des paramètres considérés. Au contraire, des instabilités sont obtenues pour des nombres d’onde azimutaux m>=2 pour le tourbillon potentiel. Le diagramme de stabilité obtenu dans l’espace des paramètres (a, F), avec a le rapport d’aspect et F un nombre de Froude, reproduit qualitativement les zones d’observation expérimentales des motifs polygonaux. Les instabilités sont dues à une résonance entre des ondes gravitaires et des ondes centrifuges. Le mécanisme peut être interprété en terme d’onde à énergie négative à l’aide d’un modèle simplifié à deux couches, ou en terme d’over-reflection en utilisant une approche de type WKBJ pour de grandes valeurs de m et dans l’approximation de faibles profondeurs. Par ailleurs, les mécanismes d’un phénomène d’hysteresis observé expérimentalement ainsi que le phénomène de switching sont appréhendés à l’aide d’une étude faiblement non-linéaire effectuée sur le modèle à deux couches. Enfin, le modèle de Rankine, plus représentatif de l’expérience pour de faibles nombres de Froude est étudié et révèle la présence de nouvelles interactions d’ondes conduisants à des instabilités. Ces nouvelles instabilités capturent le phénomène de sloshing et donnent des éléments additionnels pour la comparaison avec les expériences.

The more and more restrictive standards in terms of fuel consumption and pollution for aircraft engines lead to a constant improvement of their design. Numerical simulations appear as an interesting tool for a better understanding and modeling of the turbulent phenomena which occur in turbomachinery. The large-eddy simulation (LES) of a turbomachinery stage at realistic conditions (Mach number, Reynolds number...) remains out of reach for industrial congurations. The phase-lagged method, widely used for unsteady Reynolds-averaged Navier--Stockes (URANS) calculations, is a good candidate to reduce the computational cost. However, it needs to store the signal at all the boundaries over a full passage of the opposite blade. A direct storage of the information being excluded given the size of the mesh grid and timesteps involved, the most used solution currently is to decompose the signal into Fourier series. This solution retains the fundamental frequency of the signal (the opposite blade passage frequency) and a limited number of harmonics. In the frame of a LES, as the spectra are broadband, it implies a loss of energy. Replacing the Fourier series decomposition by a proper orthogonal decomposition (POD) allows the storage of the signal at the interfaces without making any assumptions on the frequency content of the signal, and helps to reduce the loss of energy caused by the phase lagged method. The compression is done by removing the smallest singular values and the associated vectors. This new method is first validated on the URANS simulations of turbomachinery stages and compared with Fourier series-based conditions and references calculations with multiple blades per row. It is then applied to the large eddy simulation of the flow around a cylinder. The error caused by the phase-lagged assumption and compression are separated and it is showed that the use of the POD allows to halve the filtering of the velocity fluctuations with respect to the Fourier series, for a given compression rate. Finally, the large eddy simulation of a compressor stage with POD phase-lagged conditions is carried out to validate the method for realistic turbomachinery configurations.

Afin d'améliorer les connaissances relatives aux propriétés adhésives de la glace sur une pale d'hélicoptère en rotation, le Laboratoire International des Matériau Antigivres (LIMA) en collaboration avec le Consortium de Recherche et d'Innovation en Aérospatiale du Québec (CRIAQ) et le Conseil National de Recherche du Canada (CNRC) a développé un modèle réduit d'un rotor d'hélicoptère qui à été installé dans une soufflerie réfrigérée générant des précipitations givrantes afin de simuler les conditions verglaçantes affectant les hélicoptères en vol. L'objectif de ce mémoire est de présenter les résultats relatifs à la validation du modèle réduit du phénomène d'accrétion de glace sur une pale d'hélicoptère en rotation et dans les résultats d'adhérence de la glace calculés analytiquement à partir des simulations expérimentales. Ce travail de recherche s'appuie principalement sur l'acquisition de données expérimentales obtenues à l'aide d'un modèle réduit. Ce modèle réduit à l'échelle l/18eme comprend : un rotor d'un diamètre de 0,78 m et deux pales d'aluminium de profil NACA- 0012 de longueur 0,315 m avec une corde de 69,64 mm. Un moteur électrique entraine le rotor et les pales. La section d'essai de la soufflerie réfrigérée du LIMA mesure 1,7 m de long par 0,914 m de large par 0,762 m de hauteur. La précipitation verglaçante est simulée à l'aide d'une rampe oscillante de neuf gicleurs pulvérisant des gouttelettes en amont de la section d'essai. La vitesse de l'écoulement d'air est de 15 m/s. Les essais de simulations ont été réalisés à des températures contrôlées variant entre -5 et -20 °C. En réalisant le bilan mécanique des forces agissant sur la pale, la valeur de l'adhérence de la glace est calculée. Le bilan mécanique contient trois principales composantes: la force centrifuge, la cohésion de la glace et l'adhérence de la glace sur la pale. Un essai consiste à givrer les pales jusqu'à ce que le poids du dépôt de glace soit suffisamment élevé pour qu'il se détache de la pale sous l'action de la force centrifuge. L'adhérence peut ainsi être calculée à partir de deux méthodes dépendamment de l'issue de l'essai. Si une pale est déglacée, l'adhérence est calculée en utilisant la masse du dépôt qui ne s'est pas détachée; c'est la méthode de la masse. Si les deux pales ce sont déglacées, l'épaisseur de glace sur les pales est extrapolée pour ensuite déduire la masse de glace décrochée; c'est la méthode de l'épaisseur. Les 150 essais réalisés ont montré que les formes de glace accrétées concordent avec celles décrites par la littérature et varient selon la température de l'air pendant l'essai. Effectivement, il apparaît que l'épaisseur de glace accrétée diminue lorsque la température augmente dû à l'écoulement d'une partie de l'eau captée par la pale. À -15 °C, la valeur de l'adhérence de la glace sur la pale d'aluminium, obtenues selon les deux méthodes varie entre 0,19 MPa pour la méthode de la masse et 0,20 MPa par la méthode de l'épaisseur avec un écart type moyen de 25 %. Les résultats d'adhérence de la glace calculés à partir du modèle réduit concordent très bien avec ceux de la littérature lorsque 1'accretion de glace est réalisée dans des conditions similaires. Les résultats obtenus par la méthode de la masse et par la méthode de l'épaisseur sont très proche, et en deçà des disparités qui existent entre les résultats d'une même méthode. La formule semi-empirique pour déterminer l'adhérence à partir du modèle réduit de pale en rotation est donc valide. Il sera donc possible d'utiliser ce nouvel outil afin de par exemple, évaluer l'efficacité de revêtements glaciophobes à différentes températures sur des pales d'hélicoptères.

En période d'hivers, certaines régions du monde reçoivent plusieurs mètres de neige. À cause de présence d'eau liquide, une sorte d'accrétion de neige, dite collante, peut être très problématique sur la fiabilité et la sécurité des lignes aériennes, puisque l'accumulation de la neige peut provoquer une surcharge sur le câble. Par conséquent, l'étude sur les critères de déclenchement du délestage sur des câbles aériens est d'un intérêt énorme. À l'atteinte de valeurs assez hautes de la LWC (la teneur en eau liquide), les douilles de neige perdent leur cohésion et leur adhésion et tombent naturellement sous l'effet de la pesanteur et du vent. Une étude expérimentale et théorique sur le déclenchement de la perte de neige collante des câbles électriques avec une flèche négligeable dans différentes conditions ambiantes a été réalisée afin de déterminer l'évolution des caractéristiques de la neige précédant son délestage. La LWC et la densité sont à l'origine du pouvoir adhésif de la neige sur le câble jusqu'au déclenchement de la chute de la neige. Dans un premier temps, une méthode simple et peu coûteuse a été reprise afin de reproduire des douilles de neiges sur un câble suspendu à l'aide des recommandations de Roberge, 2006. Plusieurs séries d'expériences ont été établies selon des conditions atmosphériques contrôlables : la température de l'air, la vitesse du vent, l'intensité lumineuse du rayonnement et le courant électrique traversant un câble. Par la suite, un modèle thermodynamique basé sur le bilan de chaleur (considérant la convection, F evaporation/condensation, la radiation et l'effet de Joule) de la douille de neige tente de prédire la variation de la LWC et de la densité en fonction du temps et selon les différents paramètres mis en jeu. D'ailleurs, le modèle simule la percolation de l'eau dans la section circulaire et transversale à l'extrémité de la douille de neige dans le sens de la gravité. De plus, la simulation permet de mesurer la déformation de la douille à l'aide la cavité jusqu'au délestage. Une validation du modèle est réalisée par une comparaison avec les résultats expérimentaux.

Les milieux nordiques disposent généralement de régions très bien exposées au vent et ces régions semblent idéales pour l'exploitation des éoliennes. Malheureusement, les problèmes liés au givrage y sont fréquents et ont des sérieuses conséquences sur la production des éoliennes, leur maintenance et leur durée de vie. Le givrage, qui est caractéristique des régions au climat froid, est le phémomène d'accumulation de glace sur les pales des éoliennes. Il est causé par la pluie verglaçante, la bruine et le brouillard givrant au niveau du sol ou le givrage dans les nuages en altitude, ou le gel, lorsque l'éolienne est installée à proximité des masses d'eau. Le givrage diminue les performances aérodynamiques en provoquant des pertes de puissance et par conséquent des pertes énergétiques. L'impact du givrage est difficile à quantifier sans essais expérimentaux et simulations numériques en raison du manque de données réelles sur le terrain. Le coût des essais en soufflerie étant élevé, une approche par simulations numériques permet de fournir rapidement des informations sur les pertes de performances aérodynamiques et énergétiques dans différentes configurations d'éoliennes et de conditions météorologiques. Combiner des mesures météorologiques nombreuses à des modèles numériques puissants est essentiel pour évaluer adéquatement l'impact du givre sur le fonctionnement d'une éolienne et sa production annuelle.

Le contact mécanique est le problème de mécanique des solides qui présente les non-linéarités les plus difficiles à prendre en compte. La bonne résolution numérique de ce problème est fortement perturbée par la non-linéarité et la non-différentiabilité des équations régissant le contact mécanique frottant (collement-décollement et amorce du glissement). Encore aujourd'hui, il n'existe pas de méthode permettant de résoudre le problème de contact frottant de manière universelle. Ce travail porte donc sur l'élaboration de méthodes permettant de résoudre le plus grand nombre de types de problème de contact frottant. II peut être décomposé en deux parties. La première partie porte sur la formation du système d'équations et l'algorithme de résolution. Les méthodes les plus utilisées sont celles de pénalisation et du lagrangien augmenté. Bien que très simple, ces méthodes sont assez difficiles à utiliser en raison de la difficulté d'identification des valeurs des coefficients de pénalisation (normale et tangentielle). Afin de pallier les carences de ces méthodes, une nouvelle approche est proposée, celle dite du « lagrangien augmenté adapté ». Cette nouvelle méthode est basée sur celle du lagrangien augmenté jumelée à une adaptation de la pénalité. Elle présente l'avantage de ne plus obliger l'utilisateur à choisir des coefficients de pénalisation. De plus, elle cumule la rapidité de l'adaptation de la pénalité et la fiabilité de la méthode du lagrangien augmenté. La deuxième partie porte sur la prise en compte du contact sous une discrétisation spatiale. La méthode la plus utilisée est la méthode « point-surface ». Le contact est calculé pour chacun des points d'une des surfaces avec l'autre surface. Cette méthode présente de nombreuses limites, notamment au niveau de la représentativité et de la régularité de la solution lorsque les deux surfaces sont déformables et irrégulières. Une autre méthode fait l'objet d'intense recherche, la méthode « surface-surface »basée sur les éléments joints. Le contact est calculé pour chaque noeud d'une des surface en fonction des deux surfaces ce qui rend la solution plus régulière et plus représentative. Cependant, les complications induites par cette méthode ne permettent pas de résoudre les problèmes en trois dimensions. Une variante de cette méthode est donc présentée afin de pouvoir être utilisée pour les problèmes en deux ou trois dimensions. Toutes ces méthodes sont testées sur des problèmes académiques simples et également sur des problèmes industriels multi-physiques.

La production de bois d'oeuvre passe nécessairement par l'étape de séchage du bois afin d'assurer la stabilité de la teneur en humidité et des dimensions, d'améliorer les propriétés mécaniques et de répondre aux programmes de traitement à la chaleur selon les exigences du marché d'exportation. Cette étape de production entraînant une perte de qualité du produit due à la présence de courbure, des études sont envisagées dans le but d'analyser les phénomènes qui s'y rattachent dans l'optique d'en optimiser le procédé. À ce jour, les travaux réalisés ont permis de décrire les phénomènes thermo-hydriques du procédé, les lois de comportements thermo-hygro-mécaniques qui s'y rattachent ainsi que les phénomènes d'échanges de chaleur et de masse. De plus, les avancées technologiques au niveau d'outils numériques jumelés à l'accessibilité à d'importantes puissances de calcul permet aujourd'hui de résoudre des problèmes couplés multi-physiques complexes. L'objectif principal de ce projet est de représenter le comportement déformationnel d'une pièce de bois soumise aux échanges thermo-hydriques lors du procédé de séchage conventionnel. Cet objectif nécessite la création d'un modèle numérique permettant la simulation du comportement mécanique, l'utilisation d'un modèle thermo-hydrique adapté au contexte de séchage ainsi que d'une interface permettant le couplage entre les deux modèles. Le modèle mécanique permet ici de représenter les propriétés du bois telle la variation des propriétés en fonction de l'orientation des cernes du bois et de prendre en compte le caractère orthotrope du matériau. Le passage du point de saturation des ibres, le comportement élastomécanosorptif ainsi que le retrait sont considérés au sein des lois de comportement. Le problème global est non linéaire et résolu en régime transitoire. Le couplage entre les aspects thermo-hydriques et mécanique est réalisé en considérant température et humidité ixe sur chaque pas de temps pour la partie mécanique. La validation numérique a été réalisée à l'aide d'un problème complet de la littérature ce qui a permis d'appuyer la fiabilité de la démarche. En parallèle, un programme expérimental a été réalisé dans le but de cueillir des données sur le procédé permettant la validation du modèle thermo-hydrique dans un contexte d'une application industrielle d'une pièce de bois sous lestage. Une étude de sensibilité aura également permis de cerner l'importance de certains paramètres industriels sur la qualité du produit, en exemple le type de coupe et le phénomène de surséchage seront analysés.

La durée de vie des cuves d'electrolyse est influencée par plusieurs facteurs qui jouent un rôle plus au moins important. Un des facteurs jouant un rôle prépondérant est le préchauffage de la cuve d'electrolyse, étape nécessaire avant que celle-ci commence sa production d'aluminium. Pour cette raison, la compréhension des phénomènes qui prennent place dans la cuve d'électrolyse est plus qu'importante pour améliorer ou optimiser le procédé existant. Conséquemment, ce travail de recherche, réalisé en partenariat avec la société Rio Tinto Alcan (RTA), porte sur le développement d'un modèle prédictif permettant la bonne représentation du comportement thermo-électro- mécanique d'une cuve d'électrolyse en phase de préchauffage. Les objectifs à plus long terme d'un tel projet consistent à fournir à l'industrie de l'aluminium un outil efficace qui leur assurera, dans un premier temps, une meilleure compréhension du comportement de la cuve mais également, d'en optimiser le fonctionnement. L'approche retenue consiste à effectuer une discrétisation par éléments finis d'un modèle quart de cuve Hall-Héroult avec prise en compte de la nature des matériaux ainsi que des interfaces de contact présentes dans la cuve. Des lois constitutives appropriées ainsi que les paramètres associés sont utilisées pour la plupart des matériaux et interfaces de contact. La stratégie de mise en régime de la cuve consiste à appliquer la totalité du courant au moment du préchauffage de la cuve d'électrolyse comme c'est le cas lors du démarrage des cuves PI55 chez RTA. La résolution est réalisée à l'aide d'une application spécialisée développée à l'aide de l'outil numérique FESh++. Ce noyau de calcul par élément finis, possédant une grande flexibilité ainsi qu'une grande robustesse, permet la résolution des problèmes transitoires multi-physiques avec prise en compte des interfaces de contact. Quant au modèle géométrique proprement dit, il est construit à l'aide du module de prétraitement du logiciel ANSYS et ce, via la construction d'un script intensément parametrise à l'aide du langage APDL. Le post-traitement des résultats est également réalisé dans le logiciel ANSYS. Dans un premier temps, une étude de sensibilité sur les coefficients de pénalisation de contact normaux a été réalisée et ce, afin de s'assurer de l'objectivité de ces derniers en regard de la solution tout en maintenant un temps de calcul raisonnable. La validation des résultats du modèle avec des données in situ fournies par RTA a également été réalisée avant l'analyse des résultats de préchauffage afin de s'assurer que le modèle est représentatif de la réalité. Les écarts entre les résultats du modèle et les données in situ disponibles sont très satisfaisants et démontre les capacités du modèle. Dans un deuxième temps, l'analyse des résultats après 24h de préchauffage ont permis de constater que si les conditions de préchauffage ne sont pas rigoureusement respectées, les possibilités d'infiltration peuvent être élevées. En effet, le haut niveau de cuisson de la pâte, les faibles pressions de contact entre les blocs cathodiques et la pâte ainsi que les contraintes principales maximales élevées sur les arêtes des blocs cathodiques sont des facteurs déterminants qui peuvent mener à des infiltrations si le scénario de préchauffage prévu n'est pas respecté. Un possible décollement a été observé au terme du préchauffage à l'intersection des petits joints et du grand joint de pâte. Une attention particulière en regard des différents mécanismes de déformations de la pâte (élastique, plastique, thermique et chimique) aura permis de constater l'intérêt de discerner l'effet de ces mécanismes durant le préchauffage. De plus, l'analyse des efforts dans le caisson et les berceaux a permis de constater l'absence de plastification dans l'acier durant le préchauffage et que les efforts les plus importants sont localisés au voisinage des fenêtres. Finalement, des recommandations sont proposées afin d'améliorer les performances du modèle quart de cuve actuel ainsi que pour orienter adéquatement les travaux à venir.

Cette étude se concentre sur la modélisation de l'écoulement d'air autour d'un profil de pale. Elle se répartit en trois parties dédiées à l'étude aérodynamique et en une dernière partie sur la modélisation des phénomènes aéroélastiques. La première partie illustre l'importance du choix du domaine et l'impact des conditions limites, l'importance du maillage comprenant les dimensions de la couche limite et de la finesse des éléments. La deuxième partie compare différents modèles de turbulence (les modèles k-w, k-w BSL et k-u> SST) à travers leur construction, leur prédiction des coefficients aérodynamiques pour différents angles d'attaque, leur prédiction de la vitesse autour du profil et du coefficient de pression sur le profil. De la même manière, la troisième partie compare différents modèles de transitions appliquées au modèle k-w SST. La dernière partie met en lumière une modélisation des phénomènes aéroélastiques qui peuvent affecter un profil de pale d'éolienne grâce au couplage des logiciels CFX et ANSYS.

Le renversement (l'instabilité) des véhicules lourds est un problème important de sécurité routière dans le monde entier. Plusieurs études ont indiqué qu'une proportion significative des accidents des véhicules lourds comporte le renversement. Malgré le progrès réalisé dans le domaine de la stabilité des véhicules lourds, les accidents dus au renversement des véhicules lourds porteurs ou semi-remorques sont omniprésents. En particulier, le renversement des camions citernes qui sont très dangereux à cause de leur architecture très complexe et surtout s'ils transportent des matières dangereuses (TMD). Les caractéristiques de la performance dynamique et de la stabilité des camions citernes partiellement remplis sont sensiblement influencées par le mouvement de la charge du liquide dans la citerne. La réponse dynamique et la stabilité des camions citernes partiellement remplis sont étudiées, analysées et caractérisées par le développement d'un modèle analytique de ballottement du liquide et un modèle numérique basé sur les équations complexes de Navier-Stokes. L'analyse des réponses dynamiques des camions citernes est évaluée sous l'excitation de différentes manoeuvres. La comparaison entre le modèle analytique et le modèle numérique pour des citernes avec et ou sans chicanes est évaluée en termes de décalage de la charge du liquide (déplacement des coordonnées du centre de masse), les forces et les moments dus à la pression du ballottement du liquide et la variation des moments d'inertie de masse. Plusieurs manoeuvres tant dans le plan latéral que longitudinal, tels que le mouvement dans une courbe, le changement de voie simple et double et le mouvement de freinage sont considérés. Des conditions critiques de remplissage de la citerne (r = 50 ? 75%) sont choisies pour analyser cette comparaison entre les deux modèles analytique et numérique. Un modèle de véhicule complet est développé pour étudier le comportement dynamique dans les deux plans latéral et longitudinal sous l'application des excitations latérales et longitudinales. Ce modèle est comparé et validé par le logiciel Trucksim de renommée mondiale dans le domaine de la dynamique des véhicules. Le modèle analytique du ballottement du liquide est intégré au modèle du véhicule comme un sous-système (système multicorps). Dans cette recherche les deux modèles de véhicules d'unité et articulé sont analysés. Ceci est pour étudier l'impact du décalage de la charge du liquide sur la réponse dynamique des camions citernes partiellement remplis. Les réponses dynamiques des camions citernes sont comparées à celles des véhicules avec charge fixe équivalente. De cette étude, nous pouvons conclure que le mouvement du ballottement du liquide dans les citernes peu réduire la stabilité du véhicule dans les deux plans latéral et longitudinal et rendre la conduite des camions citernes difficile et dangereuse. Les résultats de cette recherche, pourraient nous aider à mieux modéliser ce genre de problème complexe. Ceci nous permettra de répondre à quelques interrogations dans le domaine de la sécurité et la stabilité des véhicules lourds, en particulier pour les camions citernes.