L'accumulation de la glace atmosphérique sur le réseau de transport et de distribution de l'énergie électrique est à l'origine de problèmes divers de natures électriques et mécaniques. Le délestage naturel de la glace accumulée peut aussi causer d'énormes perturbations dans le réseau et s'avérer être très dangereux. Les risques encourus ne pouvant pas être totalement éliminés, il est possible de les réduire et améliorer la fiabilité du réseau de distribution de l'énergie électrique en développant des systèmes de déglaçage et de prévention du givrage. Pour ce faire, la connaissance des propriétés mécaniques de la glace atmosphérique et de son comportement est primordiale. L'objectif de cette étude dans le cadre de la problématique du délestage, est le développement d'un outil numérique afin de simuler le comportement mécanique de la glace atmosphérique dans un cadre éléments finis. Le logiciel commercial ABAQUS est utilisé à cette fin, dans lequel, la loi de comportement est fournie par l'utilisateur via une sous-routine VUMAT. Le comportement mécanique de la glace est décrit par une loi de comportement multiaxiale élastoviscoplastique avec endommagement ductile. La déformation totale comporte trois composantes : une déformation élastique instantanée, une déformation viscoélastique et une déformation viscoplastique. L'endommagement qui caractérise la perte de rigidité du matériau est pris en compte par un tenseur d'endommagement du quatrième ordre. Le modèle étant à l'origine développé et paramétré pour simuler le comportement ductile de la glace d'eau douce ; des expériences sont menées en laboratoire afin de déterminer les paramètres nécessaires au calibrage du modèle afin de pouvoir simuler le comportement de la glace atmosphérique. Le comportement de la glace atmosphérique est similaire à celui de la glace d'eau douce, il est cependant affecté par différents paramètres. Les essais effectués ont permis de mettre en évidence l'influence de la vitesse de déformation sur la résistance en compression ainsi que les différences existantes entre les comportements en traction et en compression qui caractérisent la classe des matériaux fragiles dont la glace fait partie. L'implementation de la sous-routine VUMAT développée a été validée par un certain nombre de simulations comprenant : la compression uniaxiale non-confinée à taux de contrainte et à taux de déformation constants, la compression uniaxiale confinée. Les résultats obtenus sont en accord avec les résultats tirés de la littérature pour la glace d'eau douce. Finalement, des recommandations sont formulées afin de compléter et améliorer ce travail. Ainsi, l'outil numérique développé permettra de simuler les situations de chargement mécaniques complexes que l'on ne peut reproduire en laboratoire ou en milieu naturel faute de temps ou de moyens.

II y a plus de 200,000 canadiens qui vivent dans environ 300 communautés isolées, qui ne sont pas connectées aux réseaux électriques provinciaux ou territoriaux. La plupart de ces communautés sont alimentées en électricité via des groupes électrogènes Diesel et subissent ainsi les coûts de carburant qui ne cessent d'augmenter ainsi que les autres frais d'exploitation comme le transport du carburant, la maintenance de Diesel et la dégradation de la qualité de l'air. La perte annuelle d'Hydro-Québec dans les réseaux isolés, résultant de l'écart entre le coût de production de l'électricité et sa tarification, s'élève à 133 millions de dollars. Les énergies renouvelables dont principalement l'énergie éolienne, constituent un potentiel important pour réduire la dépendance à l'égard des combustibles fossiles dans les réseaux électriques. Au cours des deux dernières décennies, il y a eu un taux accéléré des installations d'éoliennes de grande taille, sous forme de grands parcs connectés aux systèmes électriques provinciaux ou nationaux. Les coûts pour ces grandes éoliennes ont diminué jusqu'au point où ils commencent à être comparables aux technologies traditionnelles de génération d'électricité. Cependant, l'intermittence de l'énergie éolienne empêche les parcs éoliens de fonctionner d'une façon autonome dans les sites isolés qui sont paradoxalement très riches en cette ressource naturelle. Les Systèmes Hybrides Éoliens-Diesel (SHED) s'imposent donc comme alternative presqu'unique aux génératrices Diesels. Le Taux de Pénétration en Puissance (TPP) éolienne est un facteur important pour la réduction de la consommation de carburant. Pour des questions de rentabilité, les SHED à haut TPP ne sont pas encore rentables, et ceci principalement à cause de la dissipation de l'énergie éolienne durant les périodes où la puissance éolienne disponible est supérieure à la demande. Le stockage d'énergie excédentaire est une des solutions pour augmenter la rentabilité des ces installations. Des recherches récentes ont conclu que la technique de stockage d'énergie sous forme d'air comprimé dans des cavernes souterraines est la plus adéquate pour les applications SHED compte tenu de ses différents points forts comme le coût, la densité énergétique, la densité de puissance, la durabilité et l'efficacité. Cette technique est très mature et présente déjà à Huntorf en Allemagne et Macintosh en Alabama aux États-Unis, mais combinée avec des turboréacteurs à gaz naturel connectés au réseau central de l'électricité. Afin de permettre la transformation de l'excès de l'énergie éolienne en air comprimé et transformer l'air comprimé en électricité, il est nécessaire d'avoir un ou plusieurs convertisseurs. Proposer une série de compresseurs et de moteurs à air comprimé est une solution coûteuse qui ne peut probablement pas voir le jour à cause de son manque de rentabilité. Une solution économiquement viable serait une hybridation pneumatique du groupe électrogène Diesel, déjà existant sur place, le transformant en un Moteur Hybride Pneumatique-Diesel (MHPD) capable de jouer, en plus de son rôle initial, le rôle d'un moteur à air comprimé et celui d'un compresseur d'air, d'où l'idée d'un Système Hybride Eolien - Diesel - Air Comprimé (SHEDAC) proposée et étudiée dans le détail dans cette thèse. Cette thèse présente une analyse détaillée des modifications à apporter au moteur Diesel afin de le transformer en un MHPD. Elle expose également une optimisation du concept ainsi qu'une évaluation de son apport en termes d'économie de carburant dans un site cible et ceci pour différentes hypothèses de volume de stockage d'air et de TPP éolienne installée. Dans le village isolé nord-Canadien Tuktoyaktuk, actuellement équipé d'une génératrice Diesel de 1 MW, la production d'électricité nécessite 1080 tonnes de carburant par an. Si un SHED à haute pénétration (TPP = 2) était mis en place dans ce village, la consommation de carburant serait seulement 561 tonnes par an, soit une baisse de 48%. En ajoutant un système de stockage d'air comprimé de 100,000 m3 et en transformant le moteur Diesel en un MHPD, la consommation annuelle de carburant baisserait encore de 13%, pour atteindre 415 tonnes. Afin d'obtenir ce gain significatif, il est nécessaire d'apporter plusieurs modification au moteur Diesel d'origine. Parmi ces modifications, on note principalement : 1. l'ajout de deux vannes trois voies, une installée dans le conduit d'admission, reliant celui-ci soit à la sortie du compresseur soit à la sortie du réservoir d'air comprimé ; et une installée dans le conduit d'échappement, connectant celui-ci soit à l'entrée de la turbine, soit à l'air libre ; 2. le remplacement du système de distribution par arbre à came par un système de distribution électromagnétique ou piézo-électrique permettant de prendre le contrôle, via un dispositif externe, sur les instants d'ouverture et de fermetures des soupapes d'admission et d'échappement du moteur ; 3. la prise sous contrôle du système d'injection via un dispositif extérieur, permettant d'actionner ou de couper l'injection du carburant, et d'en contrôler la quantité et la durée. Le contenu de la thèse est présenté sous forme de cinq articles originaux publiés ou soumis à des journaux scientifiques avec comité de lecture, ainsi que trois articles publiés dans des congrès scientifiques avec comité de lecture. Chacun de ces articles fait, au moment de sa soumission, l'objet de l'état de l'avancement de l'étude, selon la méthodologie détaillée dans le chapitre I. - Canada has over 200,000 citizens living in remote communities, many of whom rely on diesel generators for their electricity supply. The economical cost of energy is therefore very high due to not only inherent cost of fuel but also to transportation and maintenance costs. The environmental cost of energy is also high as the use of fossil fuels for electricity generation is a significant source of greenhouse gas emissions. Renewable energy for remote areas is being investigated to reduce the oil dependency. Among all renewable energies, the wind energy experiences the fastest growing rate, at more than 30% annually for the last 5 years in Canada, which led to significant reduction in installation cost. However, the intermittency of this free energy makes impossible replacing the Diesel generators by wind farms in remote areas. The use of hybrid Wind-Diesel Systems (WDS) is therefore the only reasonable alternative to Diesels. For a WDS, the fuel saving is higher for greater Wind Power Penetration Rate (WPPR), which is the ratio of the maximal wind generated power to the maximal load. Unfortunately, WDS with high WPPR are not cost - effective due to the high amount of wasted energy that occurs when the wind power is higher than the load. For this reason, adding an energy-storage element to the WDS is the only way to increase the WPPR and therefore the fuel savings. Previous studies proved that Compressed Air Energy Storage (CAES) is very adequate for WDS due to its low cost, high power density, good efficiency and reliability. In order to store and restore energy, one or several pneumatic converters are needed. Knowing that the maximal power of the air motors existing in the market does not exceed 5 kW, suggesting the addition of several air motors and compressors would not be cost effective. To solve this problem, this research suggests a pneumatic hybridization of the existing Diesel engine in order to transform it into a Hybrid Pneumatic-Diesel Engine (HPDE) able to operate as a conventional Diesel engine, an air compressor and air motor. The innovative idea of doing a multi-hybrid wind-Dieselcompressed air system is therefore born. This thesis investigates in details all the modifications of the Diesel engine required to transform it into a HPDE. It presents an optimization of the concept and an evaluation of its potential of fuel-savings generated by a WDS-HPDE power generation compared to a Diesel-only power generation and a WDS power generation, depending on the WPPR and the storage capacity, in a certain area. The North-Canadian remote village Tuktoyaktuk is presently equipped with a Diesel power supply system of 1MW capacity. The power production consumes 1080 tons of fuel every year. If a high penetration WDS (WPPR=2) were installed, the power production would consume only 561 tons of fuel, i.e. 48% less. By adding a CAES of 100,000 m3 and turning the Diesel engine into an HPDE, the fuel consumption of the multi-hybrid system for generating the power in Tuktoyaktuk would be only 415 tons, i.e. 13% less. To obtain this significant fuel economy, the following modifications of the Diesel engine's architecture are necessarily: 1. The addition of two 3-way valves: the first one, installed in the admission duct, connects the engine's intake either to the charger's outlet or to the CAES tank ; the second one, installed in the exhaust duct, connects the engine's exhaust either to the turbine's inlet or to the atmosphere; 2. The replacement of the cam-driven valve system by an electromagnetic or a piezoelectric valve system. The timing and duration of opening and closing of intake and exhaust valves could therefore be controlled via an external device. 3. The control of the fuel injection system (duration and timing) via an external device. This thesis is produced in the form of five original papers published or submitted to international journals and three papers published in international conferences with reviewing committee. Each of these journal-articles summarizes the results of one part of the methodology explained in the first chapter.

Renewable energy resources, including wind power, are part of the solution to the global energy problem. Over the past few decades, various types of materials such as wood, aluminium and composites have been used in the manufacturing of wind turbine blades. However, no investigations have been conducted on the application of wood-plastic composites (WPCs) for the production of small rotorblades for wind turbines in northern conditions; characterized by extremely cold temperatures and major winter storms. In order to investigate the application of WPCs in the rotorblades industry, the mechanical behaviour of this material under the operational conditions of a wind turbine should be investigated. In cold climate regions, wind turbines are exposed to severe conditions characterized by temperatures below — 50°C and wind speeds sometimes exceeding 25 m/s. This thesis is mostly divided into two main parts. First, the mechanical behaviour of wood-plastic composites is investigated using the experimental and numerical characterization of the material at cold temperatures. The studies are conducted under the maximum pressure of 18 psi within a temperature range of —50°C to +50°C with 25°C increments. Wood-plastic composite membranes with mass concentration of 20, 30, 40, 50, and 60wt% of wood fibre are tested and high-density polyethylene (HDPE) is used as the thermoplastic matrix of the composites. Second, the structural behaviour of a rotorblade made with WPCs is investigated under the operating conditions of a wind turbine. In this research, the bubble inflation technique is used for experimental and numerical modelling of the behaviour of WPCs. The elastic (Hooke's law) and hyperelastic (neo-Hookean) models, along with the artificial neural networks, are used to characterize the mechanical behaviour of the membranes. The elastic and hyperelastic behaviour of the specimens are modelled in Abaqus with different material constants in order to generate a learning library for the artificial neural network. Young's modulus and Cj represent the material constants for elastic and hyperelastic models, respectively. The optimum material constants are obtained using the neural network. The experimental results are used as the input of the network and the results from the simulations in Abaqus are used to train the neural network. The output of the network is the optimum material constants for different materials at different temperatures. The results of the neural network are then verified by a set of wind tunnel experiments and computer simulations in Abaqus. For the purpose of the experiments, a rectangular HDPE plate is tested at different temperatures and wind speeds in a wind tunnel. Furthermore, an HDPE plate is modelled in Abaqus with the same dimensions under the same pressure using the optimum material constant relevant to the corresponding temperature. The deformation values obtained in the experiments are compared with the ones attained in Abaqus in order to verify the accuracy of the material constants. Moreover, the application of the wood-plastic composites is investigated in the rotorblades industry by comparing the material performance with the material requirements of the industry. The operational parameters and conditions require the material to have a high stiffness, low density, and long fatigue life. Finally, a small rotorblade is modelled in Abaqus to investigate the deformation of a blade made of WPC and aluminium. In addition, in order to introduce the challenges involved in the application of this material in the rotorblades industry, a brief review of the effects of humidity and ice on WPCs and rotorblades is presented at the end of this project. Les sources d'énergie renouvelables, notamment l'énergie éolienne, font partie de la solution au problème mondial lié à l'énergie. Au cours des dernières décennies, divers types de matériaux tels que le bois, l'aluminium et des composites ont été utilisés dans la fabrication de pales d'éoliennes. Cependant, aucune recherche n'a été menée sur l'application des composites bois-plastique pour la production de petites pales éoliennes situées en milieu nordique qui est caractérisé par des températures extrêmement froides et les grandes tempêtes hivernales. Afin d'étudier l'application de ces composites bois-plastique dans le secteur des pales éoliennes, le comportement mécanique de ce matériau dans les conditions de fonctionnement d'une éolienne doit être étudié. En effet, dans les régions froides, les éoliennes sont exposées à des conditions météorologiques sévères, caractérisées par des températures inférieures à — 50°C et des vitesses de vent dépassant parfois 25 m/s. Cette thèse est divisée en deux parties principales. D'une part, le comportement mécanique des composites bois-plastique est étudié en utilisant la caractérisation expérimentale et numérique du matériau à des températures froides. Les études sont menées sous la pression maximale de 18 psi dans une plage de température de — 50°C à 50°C avec des paliers de 25°C. Des membranes composites en bois-plastique avec des concentrations massique de 20, 30, 40, 50, et 60% poids de fibres de bois sont testés et le polyethylene haute densité (PEHD) est utilisé comme matrice thermoplastique des composites. D'autre part, le comportement structural d'une pale éolienne fabriquée à partir d'un composite bois-plastique est étudié dans les conditions de fonctionnement d'une éolienne. Dans cette recherche, la technique de gonflage de bulles est utilisée pour la modélisation expérimentale et numérique du comportement du composite bois-plastique. Les modèles élastique (loi de Hooke) et hyperélastique (néo-Hookéen), ainsi que les réseaux de neurones artificiels, sont utilisés pour caractériser le comportement mécanique des membranes. Le comportement élastique et hyperélastique des spécimens sont modélisés dans le logiciel Abaqus avec différentes constantes matérielles afin de générer une bibliothèque d'apprentissage pour le réseau neuronal artificiel. Le module de Young et Ci représentent les constantes matérielles pour les modèles élastiques et hyperélastiques, respectivement. Les constantes matérielles optimales sont obtenues en utilisant le réseau de neurones. Les résultats expérimentaux sont utilisés comme entrée du réseau et les résultats des simulations dans Abaqus sont utilisés pour l'apprentissage du réseau de neurones. La sortie du réseau est composée des constantes matérielles optimales pour différents matériaux à des différentes températures. Les résultats du réseau de neurones sont ensuite vérifiés par un ensemble d'expériences en soufflerie et par des simulations numériques dans Abaqus. À des fins expérimentales, une plaque rectangulaire de PEHD est testée à différentes températures et vitesses de vent dans une soufflerie. Par la suite, la plaque PEHD est modélisée dans Abaqus avec des conditions similaires: dimensions et pression identiques en utilisant la constante matérielle optimale appropriée pour une température donnée. Les valeurs de déformation obtenues dans ces expériences sont comparées avec celles obtenues dans Abaqus afin de vérifier l'exactitude des constantes matérielles. En outre, l'utilisation des composites bois-plastique dans le secteur des pales éoliennes est étudiée en comparant la performance du matériau avec les exigences matérielles de l'industrie. Les paramètres et les conditions opérationnels exigent du matériau d'avoir une rigidité élevée, une faible densité et une longue résistance à la fatigue. Enfin, une pale éolienne est modélisée dans Abaqus pour étudier la déformation d'une pale fabriquée en composite bois-plastique et en aluminium. De plus, afin d'aborder les défis liés à l'application de ce matériau dans l'industrie des pales éoliennes, un bref examen des effets de l'humidité et de l'accumulation de la glace sur les composites bois-plastique est pésenté à la fin de ce projet.

This study describes the analysis of suspension system and its lower arm. These analyses were specifically applied on lower suspension arm to determine its vibration and stress behaviour during its operation. The suspension system is one of the most important components of vehicle, which directly affects the safety, performance, noise level and style of it. The main objectives are to have less stress on lower suspension arm system as well as to reduce imposed load by optimization. The optimization of imposed load on lower suspension arm system is directly related to imposed force on the vehicle created by the road. This load has a direct effect on the value of imposed force on lower arm, where the lower arm force will be minimized by reducing the applied load. Hence, genetic algorithms for optimization and MATLAB optimization toolbar are used, as well as, specific M-file codes have been developed into MATLAB for optimization. By determining optimized design values of suspension system for reducing road force, it is possible to survey vibration condition of lower arm according to frequency respond of suspension system and its natural frequency. Therefore, frequency response of its acceleration has been determined according to the whole mass of suspension system. Using FFT technique and making transfer function for frequency response of suspension system, will present responded frequency of suspension system which is using for vibration analysis. For stress analysis, load condition of lower suspension arm system must be determined in advance. Hence, a typical model of McPherson suspension system has been selected for analysis. According to the road profile considered for analysis and the velocity of vehicle, it is possible to obtain both velocity and acceleration equations for whole components of McPherson suspension system. These values are used to determine dynamic force condition of lower arm suspension system during its operation. By using dynamic forces which are governing on lower arm of suspension system, in ABAQUS, the stress condition of lower arm can be determined during its operation.

L’industrie de l’aluminium fait aujourd’hui l’objet d’une compétition internationale féroce obligeant les producteurs d’aluminium de première fusion à améliorer l’efficacité et la longévité des cuves d’électrolyse. En ce sens, la sélection ainsi que la qualité des matériaux composant ladite cuve deviennent donc des facteurs de toute première importance. La pâte monolithique, qui entre dans la préparation du plan cathodique des cuves, est un matériau qui est mis en place dans les joints par vibro-compaction et ce, afin d’assurer son scellement. Il s’agit là d’un matériau thermoréactif fort complexe dont les propriétés évoluent selon le niveau de cuisson. Le but du présent projet est donc de proposer une loi de comportement thermo-chimio-mécanique (TCM) pour la pâte monolithique et assurer son implémentation dans le logiciel d’analyse par éléments finis ANSYS®. Pour ce faire, un modèle de comportement a été choisi à partir des lois existantes dans la littérature. Celui-ci est dépendant de la pression hydrostatique et possède un mécanisme d’écrouissage et d’adoucissement en plus de prendre en compte l’effet de cuisson du matériau. Une validation de l’approche a été menée en comparant les résultats numériques obtenus avec l’outil FESh++, outil possédant une loi de comportement TCM pour les matériaux à base de carbone considérée comme une des plus représentatives à ce jour. Finalement, une validation du banc d’essai thermomécanique BERTA (Banc d’essai de résistance thermomécanique ALCAN) a été effectuée dans l’optique de son utilisation pour la validation expérimentale de la loi de comportement sur un montage à plus grande échelle. Il a cependant été conclu que le banc d’essai BERTA ne possède actuellement pas la capacité de suivre efficacement le comportement déformationnel d’un matériau tel que celui à l’étude. Au terme de ce projet, l’outil prédictif développé aura permis d’assurer une meilleure compréhension du comportement des cuves d’électrolyses lors de leur mise en service, et ce, via la simulation réaliste de l’effet de la cuisson de la pâte monolithique sur son comportement durant cette période critique. Aluminum industry is in a fierce international competition requiring the constant improvement of the electrolysis cell effectiveness and longevity. The selection of the cell’s materials components becomes an important factor to increase the cell’s life. The ramming paste, used to seal the cathode lining, is compacted in the joints between the cathode and the side wall of the cell. It is a complex thermo-chemo-reactive material whose proprieties change with the evolution of his baking level. Therefore, the objective of this project is to propose a thermo-chemo-mechanical constitutive law for the ramming paste and implement it in the finite element software ANSYS®. A constitutive model was first chosen from the available literature on the subject. It is a pressure dependent model that uses hardening, softening and baking mechanisms in its definition to mimic the behavior of carbon-based materials. Subsequently, the numerical tool was validated using the finite element toolbox FESh++, which contains the most representative carbon-based thermo-chimio-mechanical material constitutive law at this time. Finally, a validation of the experimental setup BERTA (Banc d’essai de résistance thermomécanique ALCAN) was made in prevision of a larger scale experimental validation of the constitutive law in a near future. However, the analysis of the results shows that BERTA is not suited to adequately measure the mechanical deformation of such kind of material. Following this project, the numerical tool will be used in numerical simulation to introduce the various effects of the baking of the ramming paste during the cell startup. This new tool will help the industrial partner to enhance the understanding of Hall-Héroult cell start-up and optimize this critical step.

La qualité des matières premières utilisées lors de la fabrication des anodes en carbone pour la production de l’aluminium primaire par le procédé Hall-Héroult se dégrade de jour en jour. Afin de pouvoir améliorer la qualité et du fait même la durée de vie ainsi que les coûts de production de ces anodes, dans le cadre de ce projet, l’intérêt est porté au procédé de vibro-compaction. Ce procédé fait partie des étapes importantes de la fabrication des anodes en carbone. Actuellement, dans la plupart des industries; ce sont les vibro-compacteurs qui sont utilisés pour la production des anodes. Les vibro-compacteurs sont plus performants en plus d’avoir un meilleur rendement. Cependant, ces machines nécessitent un contrôle de même qu’un suivi en continu afin d’éviter des bris majeurs vu leur fonction de base qui est la vibration. L’objectif de cette étude est de comprendre ce procédé et ainsi faire le lien entre les paramètres de vibro-compaction et les propriétés mécaniques des anodes crues. La méthodologie élaborée pour répondre à la problématique et ainsi atteindre les objectifs de cette étude est basée simultanément sur des approches expérimentales et analytiques. L’approche expérimentale porte sur les caractérisations physiques et mécaniques des anodes industrielles et aussi sur les analyses des mesures vibratoires des vibro-compacteurs industriels et celui du laboratoire. Cette approche englobe également la fabrication des anodes en laboratoire avec des paramètres de vibro-compaction variables. Pour ce qui est de l’approche analytique, c’est le développement de modèles dynamiques du vibro-compacteur à un degré de liberté 1-DDL et à deux degrés de liberté 2-DDL qui ont été réalisés. La première campagne de caractérisation porte sur la cartographie des propriétés physiques et mécaniques dans les trois directions de quatre anodes crues industrielles formées avec le même matériel et les mêmes conditions de malaxage et de vibro-compaction. Les résultats obtenus montrent que la qualité des anodes produites est largement affectée par les vibro-compacteurs qui sont utilisés lors de la formation de ces anodes. Par la suite, une autre campagne de caractérisation plus poussée a été réalisée sur huit anodes industrielles crues, mais cette fois-ci en prenant des mesures vibratoires afin de comprendre ce qui se passe réellement au niveau de la mécanique de fonctionnement des vibro-compacteurs. Les anodes testées ont été formées avec des matières premières et des conditions de vibro-compaction variables. Les résultats obtenus montrent que les propriétés des parties du bas de ces anodes sont relativement faibles comparées à celles du haut dans tous les cas étudiés. Ce résultat est relié aux accélérations générées entre les tables de vibration et les tiges-guides des vibro-compacteurs. Une évaluation des principaux paramètres de vibro-compaction a été effectuée par l’équipe de vibro-compactage de la chaire UQAC-AAI sur le carbone. Les principaux paramètres ont été fournis à une entreprise externe pour la conception du vibro-compacteur du laboratoire. Par la suite, une calibration de ce vibro-compacteur a été réalisée en effectuant des mesures vibratoires. Des procédures de suivi et de diagnostic de l’état du vibro-compacteur du laboratoire ont été établies dans ce projet. Actuellement, tous ceux qui utilisent cet équipement suivent ces procédures afin de mieux contrôler leur fabrication d’anodes. D’un autre côté, des anodes à l’échelle du laboratoire ayant la même recette de pâte que le partenaire industriel ont été fabriquées avec des paramètres de vibro-compaction variables. Les résultats obtenus montrent les relations existantes entre la variation des paramètres de vibro-compaction et la qualité des anodes formées. Cette campagne a permis aussi de calculer expérimentalement la rigidité de la pâte d’anode qui par la suite a été intégrée dans un modèle dynamique à deux degrés de liberté du vibro-compacteur développé dans ce projet de recherche. Ce modèle à 2-DDL développé est unique, car il permet de simuler les vibrations générées par les vibro-compacteurs en prenant en considération une rigidité de pâte actuelle mesurée expérimentalement. La validation de ce modèle est réalisée avec les données tirées de la revue de littérature de même qu’avec les données expérimentales obtenues durant la réalisation de cette thèse. Au final, les travaux qui ont été réalisés durant ce projet ont permis d’avoir une meilleure compréhension du procédé de vibro-compaction de même qu’au niveau de la variation de la qualité des anodes crues. Cette étude a aidé à mieux diagnostiquer les problèmes mécaniques des vibro-compacteurs. The quality of raw materials used for the fabrication of anodes utilized, in primary aluminum production, by the Hall-Héroult process is degrading with time. In order to improve the quality, the life, and the production cost of anodes, this project focuses on the vibro-compaction process. This process is one of the important steps of carbon anode production. Nowadays, most of the anode manufacturing plants use vibro-compactors for the fabrication of anodes. The vibro-compactors perform well and have high efficiency. However, these machines require continuous control as well as monitoring to avoid a major breakdown due to vibration which is their basic function. The objectives of this study are to understand the vibro-compaction process and to identify the relationship between the vibro-compaction parameters and the mechanical properties of the green anodes. The methodology that has been developed to address the above issues and to achieve the objectives of this study is based on simultaneous experimental and analytical approaches. The experimental approach involves the physical and mechanical characterization of the industrial anodes as well as the analysis of the vibration measurements on the industrial and laboratory vibro-compactors. This approach also includes the fabrication of laboratory anodes using different parameters of vibro-compaction. The analytical approach covers the development of dynamic models of the vibro-compactor with one and two degrees of freedom (1-DDL and 2-DDL). The first characterization study was on the 3D mapping of the physical and mechanical properties of four industrial green anodes produced using the same raw material as well as mixing and vibro-compaction conditions. The analysis of results showed that the quality of the anodes was significantly affected by the vibro-compactors used to fabricate the anodes. Subsequently, an industrial measurement and characterization campaign was carried out on eight industrial green anodes; but this time, vibration measurements were also conducted in order to understand the mechanical aspect of the operation of the vibro-compactors. The anodes tested were fabricated using different raw materials and under various vibro-compaction operating conditions. The results showed that the properties of the bottom part of these anodes were relatively inferior compared to those of the top part for all the cases studied. These results were related to the differences in acceleration generated between the vibration table and the guide rod of the top charge of the vibro-compactors. The principal vibro-compaction parameters were evaluated by the vibro-compactor team of the Carbon Chair, and these were supplied to an external company for the design of the laboratory vibro-compactor. Then, the vibro-compactor was calibrated by carrying out vibration measurements. Procedures for the diagnosis and the monitoring of the state of the laboratory vibro-compactor were established in this project. All those who use this equipment follow these procedures now to better control the anode fabrication process. In addition, different vibro-compaction parameters were used to produce laboratory scale anodes with the same paste recipe applied in industrial anode production. The results showed the relationships between the vibro-compaction parameters and the variation in the quality of the anodes formed. The analysis in the current project also helped determine experimentally the rigidity of the anode paste which was later used in the dynamic model of the vibro-compactor with two degrees of freedom. This 2-DDL model is unique because it can simulate the vibrations generated by the vibro-compactor taking into consideration the rigidity parameter of the paste as a function of vibro-compaction time. The validation of this model was carried out using published data from the literature and experimental data obtained during the realization of this thesis. In conclusion, the work undertaken during this project led to a better understanding of the vibro-compaction process as well as its impact on the green anode quality depending on the conditions. In this study, diagnosis techniques have also been developed to determine the mechanical problems of vibro-compactors.

In cold regions, overhead line cables and their supporting structures are usually fully exposed to atmospheric icing. In addition, rising temperatures due to climate changes are expected to increase the risks associated with extreme weather events which in turn could possibly increase the frequency and severity of storms such as winter blizzards and ice storms. Atmospheric icing is one of the major problems in cold climate regions, which can cause serious damage to transmission line structures, such as overhead transmission networks. Towers or pylons, usually steel lattice structures, represent an important part of the cost of transmission lines. Ice deposits on exposed structures can be the source of several mechanical problems. On transmission line towers in particular, the loads due to heavy ice accretion, coupled with wind-on-ice loads, may lead to aerodynamic effects and cause structural damages, or failure and even cascading collapse of towers. The present investigation is mainly focused on the study of aerodynamic characteristics of angle member icing. The objective is to understand the influence of ice accretion on drag, lift and moment in respect to different ice profiles. In most of the previous experimental studies of ice effects on aerodynamic characteristics, aerodynamic bodies such as airfoils and wings were modeled, whereas in this research, the ice effects on bluff bodies is studied. Experimental models that explicitly consider different glaze ice profiles by including the thermo-physical properties of ice during accretion are proposed. Drag, lift and moment coefficient of those angle member reproduced using cement molded glaze ice profiles are thus measured in a wind tunnel. The models serve as a basis to study various criteria of atmospheric glaze ice effects in terms of aerodynamic coefficient and, aerodynamic forces. Various tower section geometries with glaze ice profiles can also be readily investigated using these models. Several aerodynamic scenarios of an angle member are simulated in order to investigate how variables including ice thickness, liquid water content (LWC), droplet size distribution (DSD) and Reynolds number affect the drag, lift and moment coefficients of an iced angle member subjected to air velocity. Ice morphology of an angle member for different aerodynamic angles and different model orientations are also explored in order to study the flow characteristics effects on ice accretion. Dans les régions froides, les câbles des lignes de transport et leurs structures sont généralement exposés au givrage atmosphérique. En outre, l'élévation des températures en raison des changements climatiques devraient accroître les risques associés aux phénomènes météorologiques extrêmes, qui à leur tour pourraient éventuellement augmenter la fréquence et la gravité des tempêtes telles que les tempêtes de neige hivernales et les tempêtes de verglas. Dans les régions au climat froid, le givrage atmosphérique est un des problèmes majeurs qui peut causer de graves dommages aux structures des lignes aériennes de transport de l’énergie électrique. Les pylônes, dont les structures sont normalement composées de treillis métalliques, représentent une part importante du coût des lignes de transport. Les dépôts de glace sur les structures exposées peuvent être la source de plusieurs problèmes mécaniques. Plus spécifiquement sur les pylônes des lignes électriques, les charges occasionnées par une épaisse couche de glace, couplées avec celles créées par le vent, peuvent entraîner des charges aérodynamiques excessives et causer des dommages structuraux, des bris ou même un effondrement en cascade des pylônes. Cette recherche a principalement porté sur l'étude des caractéristiques aérodynamiques des cornières sous l'effet du givrage. L'objectif était de comprendre l'influence de différents profils de glace sur la traînée, la portance et le moment aérodynamique. Dans la plupart des études expérimentales précédentes sur les effets de la glace sur les caractéristiques aérodynamiques, des corps profilés tels des ailes d’avion ont été modélisés alors que dans cette recherche, ce sont les effets de la glace sur des corps non profilés qui ont été étudiés. Des modèles expérimentaux tenant explicitement compte de différents profils de glace, tout en incluant les propriétés thermo-physiques de la glace durant l'accrétion, ont été proposés. Les coefficients de traînée, de portance et le moment des profils de glace reproduits à l’aide de ciment moulé sur une cornière ont été mesurés en soufflerie. Les modèles développés peuvent servir de base pour l’étude des effets de la glace atmosphérique, tels les coefficients aérodynamiques et les forces aérodynamiques. Différentes géométries de section de pylônes avec des profils de glace peuvent également être plus facilement étudiées à l'aide de ces modèles. Plusieurs scénarios aérodynamiques sont simulés afin d'étudier comment des variables, tels que l’épaisseur de la glace, la teneur en eau liquide, la taille des gouttelettes et le nombre de Reynolds, affectent les coefficients de traînée, la portance et le moment d'une cornière givrée soumise à un écoulement d'air. La morphologie de la glace accumulée sur une cornière, pour différents angles d’attaque aérodynamiques et différentes orientations de la cornière, est également explorée afin d'étudier l’effet des paramètres du vent sur une accrétion de glace.

L'inventeur du moteur à combustion interne à allumage par compression, l’allemand Rudolf Diesel était mû par la volonté de remplacer la machine à vapeur fonctionnant au charbon par un moteur alimenté par des carburants d'origine fossile avec un rendement plus élevé et aussi plus propre. Ces considérations demeurent d'actualité aujourd'hui plus qu'hier. La volonté du législateur en matière de respect de l'environnement a obligé l'industrie automobile à se pencher sur d’autres sources d’énergie moins polluantes ou autres que les hydrocarbures et aussi sur l'optimisation des moteurs de nos véhicules. Dans l'attente de la généralisation de motorisations encore moins polluantes (moteurs fonctionnant à l’hydrogène, pile à combustible, véhicule électrique...etc.), les moteurs alimentés par des carburants de substitution représentent une alternative intéressante au moteur fonctionnant avec les carburants conventionnels (essence et carburant diesel). L'objectif de cette thèse consiste à évaluer le potentiel d'utilisation du gaz naturel et d’hydrogène à l’état pur et en mélanges dans les moteurs à combustion interne, ainsi que le potentiel du moteur à combustion externe. Le sujet de recherche abordé dans cette thèse marque le début d'une collaboration entre trois équipes de recherche de trois universités: l’Université de Québec à Trois Rivières, Canada, l’Université Polytechnique de Kharkov, Ukraine et l’Université Nationale de l’Automobile et des Ponts et chaussées de Kharkov, Ukraine. Lors de mon premier stage qui s’est déroulé à l’Université Polytechnique de Kharkov, la recherche était axée sur l’utilisation de l’hydrogène à l’état pur dans les moteurs à combustion interne et sur l’élaboration d’un modèle d’optimisation du moteur à combustion externe. Un modèle mathématique de la phase combustion-détente dans un moteur fonctionnant à l’hydrogène a été réalisé et des tests sur un nouveau concept de moteur à combustion externe ont été effectués. Au cours du deuxième stage qui a eu lieu à l’Université Nationale de l’Automobile et des Ponts et chaussées de Kharkov, l'aspect expérimentation du moteur constituait la ligne directrice parallèle au premier stage. Ainsi, tests et calculs ont été réalisés pour un moteur fonctionnant avec du gaz naturel à l’état pur et un autre alimenté par un mélange gaz naturel/hydrogène. Ainsi, une méthode de calcul de la composition d'équilibre des produits de combustion du moteur à gaz à l'aide de la méthode Zeldovitch-Polarny a été élaborée et comparée avec les données expérimentales. Des tests expérimentaux d’un moteur à gaz converti à partir d’un moteur Diesel ont été réalisés et un modèle mathématique basé sur le modèle de Wiebe avec le calcul précis du paramètre de la combustion m a été élaboré. On a réalisé aussi des tests sur un moteur à gaz naturel avec ajout constant d’hydrogène et élaboré des cartographies pour le système de gestion avec microprocesseur de ce même moteur. Une approche analytique basée sur le modèle de Wiebe a été élaborée et des tests sur un moteur à petite cylindrée fonctionnant avec le mélange du gaz naturel comprimé et d'hydrogène ont été réalisés. Cette thèse est le fruit de travaux résultant de ce partenariat et constitue la fondation d'un axe de recherche porteur qui sera certainement poursuivi. The inventor of the compression ignition engine, German Rudolf Diesel was motivated by the desire to replace the coal fueled steam engine by an engine running on fossil fuels with a higher efficiency and also much cleaner. These considerations remain topical today more than ever. The will of legislator to ensure environmental compliance has forced the auto industry to focus on other alternate cleaner source of energy or other than hydrocarbons and also on engine optimization of our vehicles. While we await the generalization of even cleaner vehicles (hydrogen fueled engines, fuel cell, electric vehicle ... etc.), engines fueled by substitute fuels represent an interesting alternative to those operating on conventional fuels (gasoline and diesel). The objective of this thesis is to evaluate the potential of natural gas and hydrogen in pure form or mixed with other fuels, in internal combustion engines, as well as the potential of the external combustion engine. The research topic addressed in this paper marks the beginning of a collaboration between three research teams from three universities: the Université du Québec à TroisRivières, Canada, the National Technical University “Kharkov Polytechnic Institute”, Ukraine and Kharkov National Automobile and Highway University, Ukraine. During my first training course held at the Kharkov Polytechnic Institute, the research focused on the use of pure hydrogen in internal combustion engines and the development of an optimization model for an external combustion engine. A mathematical model of the combustion-expansion phase in a hydrogen fueled engine was developed and tests on a new concept of external combustion engine were carried out. In the second training course, which was held at the Ukraine and Kharkov National Automobile and Highway University, engine experimental aspect was the guideline parallel to the first training course. Thus, tests and calculations were carried out for an engine running on pure natural gas and another fueled by a mixture natural gas / hydrogen. A method of calculation of the equilibrium composition of the combustion products of the gas engine using the Zeldovitch-Polarny method was developed and compared with the experimental data. Experimental tests of a gas engine converted from a diesel engine have been carried out and a mathematical model based on the Wiebe model with the accurate calculation of the parameter of burning m was developed. We also carried out tests on a natural gas engine with constant addition of hydrogen and developed maps for the management system with microprocessor of the same engine. An analytical approach based on the Wiebe model was developed and tests on a small engine running on a mixture of compressed natural gas and hydrogen has been achieved. This thesis is the fruit of works resulting from this partnership and it is the foundation of a promising research axis which will certainly be continued in the future.

Dans l’industrie de l’aluminium de première fusion, les anodes en carbone sont consommées continuellement en grande quantité durant la réduction de l’alumine dans les cellules d’électrolyse. Les anodes sont fabriquées à partir du coke calciné, des mégots, des anodes recyclées et du brai de goudron de houille comme liant entre les particules des agrégats solides. Les anodes crues sont cuites dans des fours très larges où elles atteignent les propriétés voulues en termes de densité, de résistance mécanique et de conductivité électrique. La cuisson est l’une des plus importantes et la plus couteuse des étapes de production des anodes en carbone. Le fonctionnement approprié du four permet de fournir les anodes de bonne qualité. Un modèle mathématique 3D transitoire du four horizontal de cuisson d’anodes a été développé pour prendre en compte les phénomènes les plus importants se produisant durant la cuisson et parmi ces phénomènes : l’écoulement turbulent, la combustion du carburant, le transfert de chaleur par tous les modes, la dévolatilisation, la combustion des matières volatiles, l’infiltration de l’air et le transfert de masse des espèces chimiques qui interviennent durant la cuisson des anodes (combustion et dévolatilisation). Les prédictions du modèle global permettent de donner des informations très détaillés sur les différentes étapes de la cuisson des anodes dans le four. Le modèle 3D a été conçu afin de simuler le feu de cuisson en entier parcourant ainsi lors d’une seule simulation les trois phases de cuisson : le préchauffage, le chauffage et le refroidissement. En parallèle au développement du modèle, plusieurs campagnes de mesures ont été réalisées sur un four industriel. Les mesures ont servi à collecter un grand nombre de paramètres de la cuisson ainsi que leur variation durant le fonctionnement du four. Les mesures effectuées par le système de contrôle du four ainsi que les enregistrements des compagnes de mesures ont servi comme références pour comparer les prédictions obtenues du modèle. Une validation du modèle a été effectuée aussi à l’aide des différents résultats collectés. Les prédictions faites par le modèle sont très proches des mesures. Donc le modèle a été jugé fiable pour la reproduction des phénomènes qui se passent durant le fonctionnement du four. Le modèle mathématique 3D transitoire est décrit dans tous ses détails. Son utilisation en tant qu’outil de prédiction est présentée et permet de voir l’impact de n’importe quel paramètre géométrique ou opérationnel sur la cuisson des anodes. Le modèle donne la distribution de la température au niveau de toutes les anodes et la température maximale atteinte dans toutes les positions des anodes. Le modèle développé dans ce projet de recherche est parmi les modèles les plus complets construits à ce jour. La considération de la géométrie détaillée de toutes les composantes du four, la considération des phénomènes les plus importants lors de la cuisson, la résolution en détail de la cinétique de la dévolatilisation, la combustion de l’huile et de matières volatiles et la capacité à simuler le feu au complet représentent les points important d’originalité pour ce travail. Selon les résultats obtenus du modèle, il a été constaté que l’évolution de la température des anodes durant la cuisson est sensible à l’écoulement des gaz dans la cloison, la structure du four, les propriétés des matériaux du four et les paramètres d’opération tels que le débit du carburant. Le modèle est le seul capable de prédire les résultats de la cuisson dans le cas des déformations des cloisons du four horizontal. L’effet de la géométrie des entretoises et du nombre de briques entretoises dans la cloison et leur rôle dans les distributions de l’écoulement et de la température des anodes ont été montrés par le modèle. Il a été trouvé qu’une bonne distribution de l’écoulement assure une homogénéité du chauffage des anodes. Concernant la largeur de la cloison, les résultats ont montré que le chauffage des anodes est plus important pour la cloison la plus large du fait que le temps de résidence des gaz est relativement plus élevé pour permettre un échange de chaleur plus important entre les gaz et les surface des briques. Pour la taille des anodes, les résultats montrent que sa variation change la résistance thermique entre les gaz et les anodes. Une épaisseur raisonnable doit être présente entre les anodes et le mur afin de diffuser la chaleur et d’avoir des profils de température homogènes. Les propriétés thermiques des briques et des anodes ont été testées à l’aide du modèle ainsi que la variation de la quantité des matières volatiles dégagée par les anodes. Les résultats montrent l’importance de la variation des propriétés thermiques des anodes et leurs effets sur la cuisson. Pour les briques, une diffusivité thermique plus petite engendre une mauvaise distribution de la température et le contraire résulte en une consommation supplémentaire du carburant. Il a été trouvé que la variation de même 1% de la quantité des matières volatiles produit des écarts de température importants durant la cuisson des anodes. Enfin, la consommation du carburant et la déformation de la cloison changent les paramètres de la cuisson des anodes. La déformation de la cloison résulte en un chauffage non-homogène des anodes et la quantité de carburant consommée peut engendrer une sur-cuisson ou sous-cuisson des anodes. In the primary aluminum industry, carbon anodes are continually consumed in large quantities during the reduction of alumina in electrolysis cells. The anodes are made from calcined coke, recycled anodes, butts, and coal tar pitch as the binder between the particles of solid aggregates. The green anodes are baked in large furnaces where they reach the desired properties in terms of density, mechanical strength, and electrical conductivity. Baking is one of the most important and most expensive steps of carbon anode production. The proper operation of the furnace results in good quality carbon anodes. A transient 3D mathematical model was developed for horizontal anode baking furnaces that takes into account the most important phenomena occurring during baking such as turbulent flow, combustion of fuel, different modes of heat transfer, devolatilization, the combustion of volatiles, air infiltration as well as mass transfer for all chemical species. The predictions of the global model give detailed information in all stages of the baking of anodes in the furnace. The 3D model developed simulates the complete baking cycle in a single simulation which takes all three stages of baking (preheating, heating, and cooling) into account. In parallel to the model development, a number of industrial measurement campaigns were carried out in the plant. The campaigns provided a large range of data on baking parameters and their variations during the furnace operation. These data as well as the data collected by the furnace control system in the plant were used as reference for comparison with model predictions. Model validation was carried out using these measurements. The predictions of the model were found to be in agreement with the plant data showing that the model represents well all the phenomena taking place during baking. The transient 3D mathematical model is described in detail in the thesis. Its use as a predictive tool allows the understanding of the impact of any geometric or operational furnace parameter on the temperature distribution of all anodes and the maximum temperature reached in any position in the pit. The transient mathematical model developed in this project is one of the most complete models available. Consideration of the detailed geometry, the most important phenomena taking place during baking, the inclusion of volatile evolution in detail, the combustion of fuel and volatile matter as well as the simulation of a complete cycle for a baking furnace constitute the originality of this work. The results obtained from the model can be visualized in 3D for each time step of the simulation. The evolution of temperature during anode baking is sensitive to the gas flow in the flue, the furnace design, the properties of the materials, and the operating parameters such as fuel flowrate. Only a 3D model is able to simulate the baking process in a horizontal furnace with deformed flue walls. The effect of the geometry and the number of tie bricks in the flue, their role in the distribution of flow and anodes temperatures have been demonstrated by the model. It was found that a good flow distribution ensures a uniform heating of anodes. Regarding the width of the flue, the results showed that the heating of the anodes is more effective for larger flue because of the fact that the gas residence time is greater to allow a higher heat exchange between the gas and the brick surface. For the size of the anodes, the results show that the variation changes the thermal resistance between the gas and the anodes. There must be a reasonable thickness between the anodes and the wall to diffuse the heat and have a homogeneous temperature profile. The thermal properties of bricks and anodes as well as the variation in the devolatilization rate were tested using the model. The results show the importance of variable (temperature-dependant) thermal properties of anodes and their effects on baking. For bricks, a low diffusivity causes a non-uniform temperature distribution and a high diffusivity increases the fuel consumption. It was found that even 1% change in the amount of volatiles produced significant temperature variation during anode baking. Finally, the consumption of fuel and the deformation of a flue wall affect the anodes baking parameters. The deformation of a wall results in a non-homogeneous heating of anodes, and the amount of fuel consumed can cause over-baking or under- baking of the anodes.

La dispersion et la dissolution de l’alumine dans le bain électrolytique sont des étapes critiques au bon fonctionnement du procédé Hall-Héroult. La présence d’agrégats d’alumine dans le bain ou dans la couche de métal nuit à la fois au taux de dissolution de l’alumine et à la stabilité de la cuve. L’objectif de ce projet est de développer un modèle mathématique décrivant le comportement des agrégats d’alumine dans une cuve d’électrolyse. Les mécanismes de transfert de chaleur et de masse rencontrés durant la durée de vie d’un agrégat, tels que la solidification/fusion de la gelée, l’évacuation de l’humidité, l’infiltration par le bain, la transition γ-α, la dissolution interne et externe, ont été modélisés en utilisant la méthode des différences finies. La programmation du modèle mathématique a été effectuée dans le logiciel MatLab® et le logiciel FactSage® est utilisé pour les calculs d’équilibre thermodynamique. Des séries de simulations ont été effectuées pour des agrégats de 2, 5 et 10 mm de rayon afin de déterminer les paramètres ayant le plus d’impact sur leur durée de vie. Ces modélisations ont permis d’obtenir des corrélations reliant les principaux paramètres (concentration d’alumine dans le bain, surchauffe, composition du bain, vitesse d’écoulement) au taux de dissolution de l’agrégat. Dissolution and distribution of alumina in the electrolyte bath are critical steps for the proper functioning of the Hall-Heroult process. The presence of alumina agglomerates in the bath or in the metal pad affects both the alumina dissolution rate and the stability of the cell. The objective of this project is to develop a mathematical model describing the behavior of alumina agglomerate in an electrolysis cell. The mechanisms of heat and mass transfer encountered during the lifetime of an agglomerate such as the solidification/melting of the freeze, moisture evolution, infiltration by the bath, γ-α transition, internal and external dissolution, were modelled using the finite difference method. The programming of the mathematical model was performed in MatLab® and the software FactSage® is used for thermodynamic equilibrium calculations. A series of simulations were performed for agglomerates of 2, 5 and 10 mm radius to determine the parameters that have the greatest impact on their lifetime. These simulations have yielded correlations between the main parameters (alumina concentration in the bath, superheat, chemical bath composition, velocity) and the agglomerate dissolution rate.