Les alliages de fonderie Al-Si sont largement répandus dans des applications des véhicules à moteur à cause de leur rapport résistance/poids et capacité élevée d'être moulé dans des formes complexes. Parmi ces alliages, on trouve l'alliage de type 319, appartenant au système Al-Si-Cu qui est populairement utilisé dans de telles applications, où du magnésium est souvent ajouté à l'alliage pour renforcer ses propriétés. Ces alliages sont habituellement soumis à un traitement thermique afin d'obtenir une combinaison optimale de résistance et de ductilité. L'excellente coulabilité et les propriétés mécaniques de tels alliages Al-Si-Cu-Mg les ont rendus commercialement populaires pour des applications industrielles. Les propriétés mécaniques d'un alliage coulé sont commandées par sa microstructure qui, alternativement, est influencée par la composition en éléments d'alliage et les conditions de solidifications utilisées. Dans le cas des alliages de type 319 (Al-Si-Cu- Mg), plusieurs facteurs se mettent enjeu, à savoir, la finesse des dendrites primaires de la phase a-Al (déterminée par la valeur de l'espace interdendritique (DAS)), la structure du silicium eutectique Al-Si dont sa morphologie brute passant d'une forme aciculaire à une forme fibreuse lors d'une modification, les CuAk et tous autres intermétalliques de cuivre, autres constituants de deuxième phase comme les intermétalliques de fer et les phases Mg2Si dépendant de l'alliage et les éléments de trace actuels dans celui-ci. La forme du silicium eutectique normalement aciculaire peut être transformée ou modifiée à une forme fibreuse par l'addition d'un modificateur comme le sodium Na ou le strontium Sr au métal liquide; ceci permet d'améliorer la ductilité et la résistance de l'alliage. On observe également du magnésium pour modifier le silicium eutectique. Cependant, il cause également une ségrégation des phases de cuivre, ceci peut mener aux problèmes au métal liquide (fonte naissante). Les propriétés des alliages contenant des éléments tels que le Cu et le Mg peuvent également être améliorées par un traitement thermique, où la formation des précipités fins de type CuAb et Mg2Si pendant le vieillissement ont comme conséquence un durcissement de l'alliage. Un traitement thermique typique se compose d'un traitement de mise en solution, suivi d'une trempe et d'un vieillissement artificiel. Le traitement thermique de mise en solution est effectué pour réaliser une dissolution maximale du cuivre et du magnésium dans la matrice en aluminium. Pour ceci, la température de traitement de mise en solution doit être gardée aussi étroitement que possible à la température eutectique de Al-CuAl2, mais, en même temps, doit être limitée à un niveau sûr au-dessous du maximum pour éviter une fonte naissante des phases de cuivre qui auraient comme conséquence la formation des cavités après la trempe et abaisseraient la solidité de l'alliage. Le procédé de traitement thermique de mise en solution peut être suivi étape par étape ou dans des étapes multiples. Malheureusement, une seule étape ou un traitement thermique conventionnel de mise en solution utilisé pour un alliage de type 319 (~498°C) n'est ni capable de maximiser la dissolution des phases riches en cuivre ni capable de modifier suffisamment la morphologie des particules de silicium où tous les deux sont exigés pour améliorer les propriétés de l'alliage. Pour surmonter ceci, un traitement de mise en solution en deux étapes (traitement conventionnel de mise en solution suivi d'un traitement de mise en solution de température plus élevée) a été suggéré, qui améliore de manière significative la dissolution de la phase riche en cuivre, provoquant une meilleure homogénéisation avant le vieillissement, et de ce fait améliorant les propriétés mécaniques. La présente étude a été entreprise pour étudier l'effet du magnésium sur l'occurrence de la fonte naissante dans les alliages expérimentaux et industriels de type 319, en utilisant l'analyse thermique, des essais de traction, l'analyse microstructurale et des mesures de porosité. Des échantillons ont été préparés à partir des fontes expérimentales et industrielles d'alliage contenant des niveaux de magnésium variant de 0 à 0.6 % en poids. Les barreaux pour des essais de traction ont été moulés en utilisant un moule permanent de type ASTM B-108. Les barreaux ont subi un traitement thermique de mise en solution dans la gamme de 490°C à 540°C pour le traitement de mise en solution de pas à pas, et à 5O5°C suivi de 520°C ou de 530°C pour le traitement thermique de mise en solution à deux étages. Des essais de traction ont été effectués à l'aide d'une machine d'essai mécanique MTS. La porosité qui est due à la fonte naissante a été également mesurée pour surveiller l'occurrence de la fonte naissante. La microscopie, l'analyse d'image et les techniques optiques d'EPMA ont été employées pour l'analyse, la quantification, et l'identification microstructurale des phases. Les résultats ont montré que la concentration en magnésium et la température de mise en solution jouent un rôle important dans l'occurrence de la fonte naissante. Les mesures de porosité ont prouvé qu'elles sont en relation avec les propriétés de traction et ont confirmé les résultats obtenus en termes de fonte naissante observée pour chaque condition de l'alliage ou de traitement de mise en solution. L'addition du magnésium mène à la ségrégation de la phase de cuivre, ayant pour résultat la formation de la phase eutectique C11AI2 sous forme de blocs plutôt qu'à sa plus fine forme. Ceci rend plus difficile de dissoudre la phase C11AI2 pendant le traitement thermique de mise en solution. L'addition du magnésium aux alliages de type 319, indépendamment de la source d'alliage, modifie la morphologie de particules de silicium. On observe cet effet très clair à 0.6 % en poids de magnésium, avec une diminution correspondante de la température eutectique Al- Si comparée à l'alliage de base. Comme prévu, l'effet de modification du magnésium n'est pas très évident à la faible addition de magnésium. L'addition du magnésium mène également à la précipitation de la phase Al5Mg8Cu2Si6. Cette phase précipite normalement après la phase CuAl2. Néanmoins, quand l'addition du magnésium excède 0.4 % en poids, la précipitation de la phase Al5Mg8Cu2Si6 a eu lieu également dans une autre réaction, avant la précipitation de la phase CuAl2. La morphologie des particules de la phase Al5Mg8Cu2Si6 est dans ce cas-ci de forme manuscrite plutôt que les particules de forme irrégulière normalement observées. Les propriétés mécaniques sont également commandées par le niveau de magnésium et la température de traitement de mise en solution. En plus de la fonte naissante, une température élevée de mise en solution produit également des microcraques et des boucles (déformation de forme) dans les barreaux d'essai de traction. En ce qui concerne le traitement de mise en solution à deux étages, la température de mise en solution de la deuxième étape ne devrait pas excéder 520°C même si une température plus élevée homogénéise l'alliage. Comparé aux alliages expérimentaux, l'alliage industriel montre une plus grande résistance à la fonte naissante, ceci peut être expliqué en termes de la réaction entre le Cu et les éléments de trace actuels dans l'alliage tels que le Fe et le Ni, menant à une augmentation de la température de la fonte naissante. D'après l'analyse des essais de traction, les données microstructurales et de porosité obtenues, les températures de traitement de mise en solution suivantes sont suggérées pour les divers alliages expérimentaux de type 319 et les alliages industriels, pour éviter ou réduire au minimum l'occurrence de la fonte naissante. On le suggère que les températures utilisées ne devraient jamais dépasser ces valeurs. Alliage Température suggérée (°C) E0 535 El 530 E2 525 E3 525 E4 520 E6 510 13 520 16 520

Cette étude porte sur le développement d'une technique mécanique pour mesurer la force d'adhérence de la glace atmosphérique à l'aide d'un film polymère piézoélectrique (PVDF) inséré à l'interface glace/substrat. Dans le cas présent, le substrat est une poutre d'aluminium sur laquelle l'élément piézoélectrique PVDF est collé et sur laquelle la glace atmosphérique est déposée artificiellement à partir de gouttelettes d'eau surfondues. La poutre composite ainsi formée, qui est encastrée à une extrémité au niveau de l'aluminium et libre de l'autre, est soumise à une flexion simple par une excitation mécanique sinusoïdale appliquée sur l'extrémité encastrée dans le plan vertical en utilisant un pot vibrant. Le coefficient piézoélectrique de charge est utilisé afin de mesurer la charge électrique induite par le film PVDF qui est directement proportionnelle à la contrainte mécanique générée à l'interface glace/poutre, résultante de la contribution de la contrainte en flexion et de cisaillement. Ce principe permet ainsi de développer une méthode de mesure macroscopique et directe afin de déterminer des contraintes mécaniques à l'interface de glace atmosphérique/substrat. Tous les essais ont été réalisés à une fréquence proche de la fréquence de résonance de la poutre composite. Après avoir étalonné la méthode par une modélisation numérique et dynamique de la poutre en aluminium seule, trois séries d'essais ont été effectuées dont deux avec des poutres en aluminium de rugosités différentes et la troisième avec une poutre identique géométriquement mais constituée de plexiglas. Les résultats obtenus avec des dépôts de glace de quatre millimètres d'épaisseur montrent que la contrainte d'interface augmente linéairement avec l'augmentation de l'amplitude de la contrainte d'excitation jusqu'au décollement de la glace, résultant d'un délaminage progressif initié à l'encastrement et qui se propage vers le milieu de la poutre composite. L'instant où le délaminage atteint le film PVDF est facilement détectable par la lecture du signal délivré par ce dernier qui permet ainsi de déterminer la contrainte mécanique nécessaire pour détacher la glace du substrat. Les résultats obtenus à partir des trois séries montrent que la méthode proposée est valide puisque les valeurs des forces d'adhérence obtenues dépendent de la rugosité du substrat dont l'augmentation entraîne une augmentation de la force d'adhérence et les force d'adhésion dépendent aussi du matériau constituant le substrat avec une force d'adhésion sur l'aluminium environ cent fois plus grande que pour le plexiglas. De plus, les résultats obtenus sont en accord avec les ordres de grandeurs des forces d'adhérence de la littérature. Ainsi, une méthode simple et originale, basée sur l'utilisation de films polymères piézoélectriques PVDF et permettant des mesures directes de la force d'adhérence de la glace a été développée et validée. Cette méthode a permis de tester différents matériaux pour des épaisseurs de glace de 4 mm. Cependant, l'épaisseur du dépôt de glace n'est pas une limitation mais l'influence de cette dernière sur la force d'adhérence reste encore à être démontrée.

Le givrage atmosphérique des lignes de transport d'énergie électrique peut causer de sérieux problèmes aux réseaux de transport et de distribution en raison de la forte adhésion de la glace aux substrats. Afin d'éviter des pannes majeures d'électricité causées par de sérieuses tempêtes de verglas, l'amélioration des caractéristiques mécaniques des composantes des lignes de transport ainsi que les techniques anti-givre et de dégivrage doivent être considérées. Le développement de ces techniques exige, à son tour, des connaissances approfondies sur les forces d'adhésion et les caractéristiques de résistance volumiques de la glace atmosphérique. L''objectif principal de cette recherche, dans le cadre de la problématique générale du délestage de glace, est de présenter un modèle du comportement ductile viscoplastique de la glace atmosphérique poreuse. Les effets des activités de fissuration devraient être ajoutés au modèle afin de prédire le comportement du matériau en transition et dans des régions fragiles. Cela peut se faire en modifiant, tant les formulations des paramètres élastique, viscoélastique et plastique des matériaux pour mieux tenir compte de l'activité de fissuration, que les surfaces d'écoulement pour refléter l'effet des taux élevés de déformation. Un survol de la littérature a démontré que certains modèles ont été développés, depuis environ deux décennies, afin de prédire le comportement mécanique de l'eau douce glacée. Toutefois, pratiquement tous les modèles prédisent le comportement mécanique de l'eau douce glacée uniforme. Ainsi, l'effet de la pression sur le comportement du matériau, induit par la présence de bulles d'air, n'a pas été considéré dans ces modèles. Cependant, la porosité de la glace atmosphérique varie en fonction du régime d'accumulation, parfois jusqu'à 35 %, ce qui correspond à des densités de glace allant de 917 kg/m3 à 600 kg/m3. Les résultats d'essais en laboratoire effectués sur de la glace poreuse ont démontré l'influence significative de la porosité sur le module élastique et la résistance de la glace. Les essais de matériaux effectués sur différents types de glace polycristalline montrent que la glace présente un comportement de type fluage à des températures au dessus de -40°C. Cela veut dire que le comportement mécanique de la glace est sensible à la vitesse de déformation et à la température, et qu'un minimum de trois composantes de déformations macroscopiques, notamment les déformations élastiques (instantanées) et inélastiques, soit de type viscoélastique à retardement et de type viscoplastique (irréversible), décrivent la réponse du matériau. La nature complexe de cette question est due au fluage non linéaire, à la transition de la glace de son état ductile à son état fragile en fonction des taux de déformation, de même qu'à plusieurs paramètres du matériau, à la complexité dans la propagation des fissures, et aux difficultés associées à sa transposition dans des équations constitutives. La méthodologie utilisée pour résoudre le système d'équations non linéaires est basée sur le principe des travaux virtuels qui conduit à une formulation intégrale adaptée à l'application de la méthode des éléments finis. Le comportement du matériau est exprimée sous forme incrémentale, ce qui requiert un schéma pour l'intégration de la loi d'évolution du comportement en utilisant par exemple un algorithme basé sur la méthode trapézoïdale généralisée (schéma d'Euler implicite / explicite). Le schéma implicite est inconditionnellement stable, alors que la stabilité du schéma explicite est fonction du pas de temps choisi. De plus, une méthode de linéarisation incrémentale suffit pour résoudre ce système d'équations non linéaires. Dans la présente recherche toutefois, le logiciel de calcul des structures ABAQUS est utilisé et le comportement du matériau est décrit à l'aide d'un sous-programme d'intégration numérique d'une loi de comportement spécifique à l'usager (UMAT). La méthodologie de la présente recherche est ensuite adaptée à la formulation des lois de comportements élastiques, viscoélastiques et plastiques pour différents types de glace atmosphérique naturelle accumulée sur des câbles électriques et à leur implémentation dans le logiciel ABAQUS. Afin de déterminer le domaine d'application de chaque modèle mathématique pour la glace atmosphérique, la texture (morphologie) et la structure des dépôts de glace sur les câbles doivent être connues. Pour ce faire, une étude détaillée de la microstructure et du contenu en bulles d'air de la glace atmosphérique a été conduite par Laforte et al. (1983). La structure du grain et des bulles d'air a été étudiée dans diverses conditions atmosphériques, mais la direction des « c-axis » demeurait inconnue. Dans la présente étude, une série d'observations complémentaires de la microstructure ont été conduites et ont démontré que la structure des dépôts de verglas était similaire à celle de la glace en colonne de type S2 (eau douce glacée), alors que la glace en colonne de type SI est généralement observée dans les régions de transition et initiales du régime d'accrétion de glace dans des conditions sèches (givre lourd). Par contre, la structure granulaire s'observe dans un régime d'accrétion dans des conditions très sèches (givre léger). Dans ce travail, nous utilisons la méthodologie générale suivante pour décrire le comportement ductile de la glace atmosphérique poreuse : 1) Déformations élastiques instantanées : La loi de Hooke établit une relation entre le champ de déformations élastiques et le champ de contraintes associé. Les modules élastiques de la glace polycristalline uniforme sont déterminés à partir des valeurs du monocristal obtenues par une technique d'étalement de Hill (1952). Les constantes élastiques du monocristal, mesurées par Gammon et al. (1983), ont été utilisées afin de déterminer les modules élastiques de la glace uniforme. Les limites supérieures et inférieures de chaque module élastique du polycristal sont déterminées à l'aide des techniques de calcul des moyennes de Voigt (1910) et de Reuss (1929), et la valeur moyenne obtenue est considérée comme étant le module élastique de la glace polycristalline. La modification pour la glace poreuse est rendue possible en définissant la contrainte effective d'un matériau poreux qui consiste en une contrainte induite dans le matériau solide et en une pression des pores. Deux situations extrêmes, c'est-à-dire les modèles avec drainage et sans drainage, sont pris en considération et dans chaque cas, les hypothèses de Voigt (1910) et de Reuss (1929) sont utilisées pour calculer la pression des pores, la force et la contrainte effectives, de même que la variation du contenu liquide. Le modèle avec drainage est alors appliqué aux questions poro-élastiques pour les dépôts de verglas et le modèle sans drainage est mieux adapté pour les dépôts de givre. 2) Déformation viscoélastique à retardement : La rhéologie à court terme proposée par Sinha (1978) est utilisée pour formuler la contrainte viscoélastique à retardement induite par glissement à la frontière du grain en fonction de la déformation élastique. L'effet de la température sur le comportement viscoélastique est introduit à l'aide d'une fonction de décalage dans le modèle. L'effet de la porosité, pour sa part, est intégré dans les formulations en remplaçant la déformation élastique par l'intensité de la contrainte effective correspondante d'un matériau poreux. Finalement, une fonction de changement structurel est définie afin de considérer l'influence de la déformation plastique sur la contrainte viscoélastique. Les paramètres du matériau induits dans la formulation pour la contrainte viscoélastique ont été choisis à partir des calculs de Derradji-Aouat (2000). 3) Déformation plastique permanente : La formulation pour la déformation plastique est développée à partir de la théorie du modèle « cap-plasticity » et en considérant une série de variables internes, les déformations plastiques et leur taux de variation. Le modèle de plasticité pour la glace poreuse inclut la limite élastique, les différences entre le comportement en traction et en compression, de même que les effets de la porosité et de la température. La surface de charge ou fonction d'écoulement, dans ce cas-ci, inclut trois segments importants : un segment parabolique d'écoulement en cisaillement de type Drucker-Prager modifiée, un segment « cap » elliptique qui intersecte l'axe de contraintes hydrostatique et un segment définissant la limite en tension. La critère d'écoulement en cisaillement décrit l'effet de la pression sur la résistance de la glace à l'aide de trois paramètres : la cohésion du matériau, l'angle de friction et la pression hydrostatique correspondant à la contrainte de cisaillement maximale. L'état actuel du «segment cap» est déterminé par deux variables internes : la pression à la contrainte de cisaillement maximum et la pression de fusion de la glace poreuse. La pression à la limite de résistance en tension dans la région ductile est le seul paramètre du matériau en relation avec les limitations en tension. Les données d'analyses de Jones (1982), Nadreau et Michel (1984), et Rist et Murrell (1997) sont utilisées afin de déterminer, en fonction de la surface d'écoulement en cisaillement pour la glace uniforme, les paramètres du matériau qui sont affectés par la structure de la glace, sa température et son taux de déformation, mais qui ne sont pas affectés par la dimension du grain. Une loi d'écoulement associée et un paramètre d'écrouissage du segment cap sont utilisés dans ce travail. L'effet de la porosité est considéré dans le modèle à l'aide d'une définition de la contrainte effective. Enfin, la catégorisation des contributions scientifiques majeures de cette recherche peut se faire en considérant les objectifs initialement définis et en suivant la méthodologie générale comme suit : (a) en classifiant la structure de la glace atmosphérique accumulée sur les câbles électriques en fonction de la forme des grains (texture) et de l'orientation du «c-axis» (structure) ; (b) en introduisant trois programmes développés dans le progiciel Maple Mathematical Program afin de déterminer les modules élastiques pour différents types d'eau douce glacée (glace granulaire et en colonne SI, S2 et S3) ; (c) en introduisant un modèle poroélastique afin de modifier les modules élastiques de la glace atmosphérique poreuse ; (d) en introduisant un modèle de plasticité de type « cap-model » pour différents types de glace atmosphérique poreuse ; (e) en présentant une nouvelle fonction d'écoulement dans la région ductile d'eau douce gelée, qui est en meilleur accord avec les données d'analyses disponibles, et ensuite en les généralisant pour inclure la porosité à l'aide d'un « cap » elliptique mobile; et (f) en développant un sous-programme d'une loi de comportement viscoplastique spécifique à l'usager (UMAT) pour la glace atmosphérique dans la région ductile, incluant les domaines poroélastique, viscoélastique, et « cap-model » de platicité.

Dans les régions froides, les accumulations de glace atmosphérique peuvent diminuer la tenue diélectrique des isolateurs utilisés dans les réseaux de transmission de l'énergie électrique. Cette diminution de la tenue diélectrique peut entraîner, sous certaines conditions, un contournement électrique des isolateurs recouvert de glace qui se traduit généralement par des interruptions plus ou moins longues de l'alimentation en énergie électrique. L'objectif principal de cette étude est d'étudier les paramètres influençant le processus de contournement électrique des isolateurs recouverts de glace en vue d'améliorer le modèle mathématique statique actuel de prédiction de la tension critique de contournement. L'idée principale est de pouvoir appliquer le modèle mathématique développé à la CIGELE à des longueurs des isolateurs allant jusqu'à quatre mètres correspondant a ceux présents sur le réseau 735 kV d'Hydro-Québec. De plus, les résultats obtenus contribueront à accroître les connaissances sur le processus de contournement et de propagation de l'arc électrique sur des isolateurs recouverts de glace par la détermination des conditions de maintien de l'arc. Les séries de tests effectuées au cours de cette recherche ont été réalisées sur une colonne isolante qui est utilisée dans le réseau 735 kV de transmission de l'énergie électrique au Québec. Les tests effectués au laboratoire de la CIGELE à l'Université du Québec a Chicoutimi (UQAC) ont permis de déterminer la tension minimale de maintien de l'arc électrique le long d'un intervalle d'air de longueur variable. Pour ce faire, il a été décidé d'utiliser la même procédure expérimentale décrite par les étapes suivantes : (i) réalisation d'une accumulation de glace en régime humide sur la colonne isolante ; (ii) création d'un intervalle d'air artificiel près de l'électrode haute tension en découpant une partie du dépôt de glace ; (iii) établissement d'un arc blanc le long de l'intervalle d'air par application de la tension jusqu'à ce que ce dernier soit stable ; enfin, (iv) diminution de la tension jusqu'à extinction de l'arc. Cette dernière étape permet ainsi de déterminer la tension minimale nécessaire au maintien de l'arc qui correspond à la valeur de la tension appliquée lors de l'extinction de l'arc. Chaque série de tests a été réalisée en ajustant les paramètres suivants : (i) la longueur de la colonne isolante ; (ii) la longueur de l'intervalle d'air et (iii), la valeur du courant de fuite. Ce dernier paramètre a été contrôlé indirectement en faisant varier la valeur de la conductivité surfacique du dépôt de glace. Les résultats ainsi obtenus ont montré que la longueur de l'isolateur ou de la colonne isolante n'a pas de réelle influence sur la valeur de la tension de claquage de l'intervalle d'air. Par contre, une relation non-linéaire a été établie entre la longueur de l'isolateur et la tension de maintien de l'arc. De plus, une série de tests suivant la même procédure expérimentale décrite précédemment a été effectuée sur des isolateurs de poste de même type mais présentant un diamètre plus grand. Les résultats obtenus ont permis de mettre en évidence que le diamètre, D, de l'isolateur ainsi étudié a une influence sur la condition de maintien de l'arc. Les résultats obtenus au cours de cette recherche ont donc permis d'établir une nouvelle formulation mathématique pour la condition de maintien de l'arc ainsi que de déterminer les paramètres pouvant influencer cette condition. La formulation mathématique proposée a été établie afin de tenir compte de l'allongement de l'arc électrique provoqué par l'élargissement de l'intervalle d'air provoqué par la fonte du dépôt de glace. Basées sur les résultats obtenus au cours de cette recherche, quelques recommandations et pistes de recherche ont été proposées.

Les surfaces diélectriques exposées à des champs électriques tangentiels constituent généralement la partie la plus vulnérable des systèmes haute tension. Bien que le contournement de ces surfaces ait été largement étudié, et malgré le fait qu'on ait une bonne connaissance des décharges électriques dans les gaz, la compréhension physique de la décharge sur une surface de glace reste encore à explorer. Les investigations entreprises dans ce projet visaient à explorer davantage les mécanismes physiques fondamentaux d'une décharge électrique sur une surface de glace. La compréhension de ces mécanismes pourra permettre de concevoir des équipements mieux adaptés au climat des régions froides et ainsi d'accroître la fiabilité des réseaux de transport d'énergie sous des conditions de givrage atmosphérique. Des techniques de photographie ultra rapide ont été utilisées afin d'observer les premières nanosecondes du développement de la décharge. La forme des isolateurs réels étant complexe, un modèle physique de géométrie simple (tige-plan), avec différentes valeurs de rayons de courbure, a été utilisé. Le champ d'apparition des couronnes de streamers, leur vitesse de propagation et la distance axiale du volume critique ont été étudiés. Les résultats ont été déterminés à l'aide de la loi empirique de Peek et comparés avec ceux obtenus dans le cas de l'air. Ils ont montré que la présence d'une surface de glace modifiait considérablement les paramètres d'initiation et développement des couronnes de streamers. Plusieurs hypothèses pouvant être à la base de l'initiation et de la propagation d'une décharge électrique sur une surface de glace ont été retenues. Il est possible que la décharge en interagissant avec la surface de glace fasse intervenir d'autres mécanismes physiques inexistants dans le cas de l'air. L'hypothèse d'une éventuelle accumulation de charges à la surface de la glace nous a semblé très pertinente. La présence de ces charges surfaciques modifierait considérablement la distribution du champ électrique local, ce qui expliquerait la distorsion des paramètres d'initiation et de propagation de la décharge en présence d'une surface de glace. Des mécanismes qui pourraient être à la base du processus d'accumulation de ces charges ont été aussi identifiés.

En dépit des efforts pour modéliser 1'accretion de glace (givre et verglas) sur les diverses structures, et notamment les équipements des réseaux électriques, très peu d'études portant sur le délestage de la glace (réduction de masse de glace) ont été effectuées. Et ceci malgré l'importance de cette phase dans la conception des lignes aériennes subissant le givrage atmosphérique. En effet, la compréhension du processus de délestage est nécessaire pour l'analyse du comportement de ces structures sous l'effet du givre et du verglas et pour le choix des méthodes et protocoles de mitigation. Cette recherche est divisée en deux grandes parties : la première est le développement d'un modèle mathématique à deux dimensions permettant de prédire la forme du manchon de glace accumulé sur un câble ainsi que le taux du délestage par fonte naturelle sous des conditions météorologiques bien définies comme la vitesse du vent, la température de l'air et l'épaisseur radiale de glace. La deuxième partie consiste à effectuer des tests en laboratoire afin de valider le modèle numérique. La méthode des éléments finis de frontière a été utilisée dans le modèle mathématique car elle s'adapte bien au problème de changement de phase (fonte de la glace). Cette méthode est basée sur la combinaison des équations intégrales classiques et du concept de la méthode des éléments finis. La méthode des éléments finis de frontière permet d'approximer la frontière d'un domaine continu par un ensemble de sous domaines. Dans ce travail, la frontière de la glace a été discrétisée par des éléments linéaires et le domaine câble-glace par des éléments triangulaires. Grâce, à l'introduction de la fonction de Green et des conditions frontières, il a été possible de produire un système d'équations linéaires pour déterminer la distribution de la ni température dans le dépôt de glace, la vitesse de fonte et la forme du manchon de glace. Finalement, le modèle mathématique développé tient compte des deux types de conditions frontières, soit Fourier et Newman. Les échantillons de glace atmosphérique sont formés en laboratoire sous des conditions atmosphériques contrôlées. Les tests expérimentaux ont été réalisés avec les équipements de recherche de la CIGELE dont les laboratoires sont situés à l'Université du Québec à Chicoutimi. La glace formée est un givre dur dont la masse volumique est d'environ 880 kg/m3 ; elle est formée à partir de gouttelettes surfondues emportées par un vent de vitesse moyenne égale à 5 m/s et projetées sur un cylindre lisse représentant le câble. La température de l'air dans la chambre climatique pendant la phase d'accumulation est égale à -10 °C, et deux épaisseurs radiales de glace ont été formées soit 10 et 25 mm. Le diamètre volumique moyen des gouttelettes, la teneur en eau ainsi que le coefficient de captation ont été également mesurés. À l'aide de ces données, la phase d'accumulation fut caractérisée. Les tests expérimentaux en laboratoire ont été divisés en trois parties : le délestage par fonte en absence et en présence du vent et quelques tentatives sur le délestage par sublimation. L'évaluation de la quantité de glace fondue dans le cas du délestage par fonte en absence du vent a été effectuée à l'aide d'un système de capteurs de force. Par contre, dans les deux autres cas, la quantité de glace fondue a été mesurée par pesée à l'aide d'une balance à palettes. La vitesse de fonte observée dans le cas du délestage par fonte en absence du vent fut de l'ordre de 0,53 kg/m2h. Ce résultat est valide dans le cas où la température de l'air est égale à 9 °C et l'épaisseur radiale initiale est 11 mm. Dans le cas du délestage par fonte en présence du vent, une combinaison entre trois vitesses de vent (10, 20 et 30 m/s) et deux épaisseurs radiales initiales de glace (10 et 25 mm) fut testée. La durée des expériences a été toujours fixée à 2 heures et la glace fut mesurée à chaque 30 minutes. Dans le cas où l'épaisseur radiale de glace est de 10 mm, les expériences ont montré que la vitesse de fonte passe de 1,24 à 4,04 kg/m2h lorsque la vitesse de vent varie entre 10 et 30 m/s et la température dans le tunnel réfrigéré est de l'ordre de 2 °C. Ces résultats sont différents (1,53 et 4,35 kg/m2h, respectivement) lorsque l'épaisseur radiale est égale à 25 mm. Dans le cas du délestage par sublimation, une seule série de tests a été élaborée, soit : 10 mm et 30 m/s. La température de l'air dans le tunnel était de -15°C et la quantité de glace sublimée est relativement faible 0,06 kg/m2h comparée au délestage par fonte. Finalement, une comparaison entre les formes de glace obtenues expérimentalement et numériquement a permis de constater que le modèle mathématique a pu prédire la forme du manchon de glace lorsque l'épaisseur radiale de la glace est égale à 10 mm et les vitesses du vent sont (10, 20 et 30 m/s). De même, le modèle numérique a pu prédire la forme du manchon de glace lorsque l'épaisseur radiale de la glace est égale à 25 mm et les vitesses du vent sont (10 et 20 m/s). Par contre, le modèle n'est pas en mesure de prédire la forme du manchon de glace lorsque l'épaisseur radiale est égale à 25 mm et la vitesse du vent est 30 m/s.

Dans les conditions humides, l'avènement de couronne sur les lignes de transmission haute tension pourrait aboutir à la vibration des conducteurs. Ce type de vibration, connu comme "Vibration induite par effet de couronne", peut conduire à la fatigue des conducteurs et leurs éléments de support. Il a été établi que la présence intermittente de la charge d'espace de couronne et du vent ionique sont les causes principales de ce phénomène. L'objectif principal de ce mémoire de maîtrise est la simulation numérique et expérimentale sur deux conducteurs courts, l'un lisse et l'autre toronné. Pour la partie expérimentale, notre approche est basée sur un modèle physique déjà employé dans les travaux précédents du GRIEA "Groupe de Recherche de l'Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique". Ce modèle utilise un conducteur placé au centre d'un cylindre en grillage métallique. Ce dispositif a permis d'étudier l'influence des différents facteurs sur les vibrations des conducteurs haute tension placés sous la pluie artificielle. Les résultats des simulations expérimentales seront appliqués au modèle numérique en vue d'effectuer les simulations numériques. La méthode des éléments finis a été utilisée pour développer le modèle numérique. En vue de valider un modèle pratique avec les résultats expérimentaux, deux modèles numériques ont été développés. Le premier modèle, considéré comme modèle de base est développé pour un conducteur lisse, alors que le deuxième, appliqué au conducteur toronné, a pour but de compléter le modèle de base. Les entrées pour ces deux modèles numériques sont appliquées au logiciel COSMOS et les simulations ont été exécutées. Les forces impliquées dans la constitution des gouttes d'eau et leur éjection d'un conducteur haute tension seront modélisées numériquement en utilisant les résultats des travaux de recherches précédents et en sélectionnant la meilleure combinaison de ces forces. Les résultats expérimentaux sont utilisés pour évaluer la précision des résultats numériques ainsi que leur validation.

Les structures exposées à des conditions nordiques sont susceptibles d'être soumises à l'accumulation de la glace atmosphérique. Ce genre d'événement peut nuire au bon fonctionnement d'une structure en provoquant des perturbations mécaniques et/ou électriques. Les conducteurs aériens d'énergie électrique sont une catégorie de structure à haut risque car ils parcourent des régions isolées qui rendent la prévention et la maintenance très difficiles. L'étude des phénomènes de glace atmosphérique cherche à développer une connaissance qui permette de prévoir et d'estimer les dangers d'un événement afin de prendre les mesures appropriées. Le but est finalement de concevoir des tracés des lignes de transport d'énergie dont le niveau de fiabilité est maximal. Dans ce cadre, nous utiliserons les données du site de givrage naturel du Mont Valin (Québec, Canada) afin d'étudier un aspect particulier de ce domaine : l'accrétion de la glace. Par l'analyse de ces données, l'objectif de la recherche présentée ici est d'abord de déterminer les charges enregistrées dues aux effets autres que la glace, ensuite, de les utiliser pour concevoir une base de données de toutes les phases d'accrétion de la glace, et, finalement, d'approfondir l'étude de la phase d'accrétion. Il existe trois types de glace atmosphérique dangereux pour les activités humaines : le givre, le verglas et la neige mouillée. Ils sont généralement produits par divers phénomènes atmosphériques reliés aux conditions météorologiques. L'accrétion de la glace atmosphérique est un phénomène physique complexe qui implique les aspects thermodynamiques et fluidiques des gouttelettes d'eau surfondue et les propriétés matérielles et géométriques de la structure. Son étude sur un site expérimental demande l'application de critères objectifs qui sont applicables à tous les cas possibles. Nous pouvons distinguer trois phases chronologiques dans un événement de givrage : la phase d'accrétion, la phase de maintien et la phase de délestage. Toutefois, les évolutions de la charge de glace ne suivent pas forcément cette séquence et ne contiennent pas toujours ces trois phases. Ainsi, pour isoler la phase d'accrétion, nous définissons un critère de fin de phase d'accrétion. Ce critère tient compte des deux paramètres suivants : la durée du maintien de la charge de glace et la proportion de glace délestée pendant l'accrétion. Le site de givrage naturel du Mont Valin est composé de quatre conducteurs répartis sur deux lignes. La ligne principale, dont la direction est perpendiculaire aux vents dominants Est-Ouest, comporte le conducteur de 12,5 mm de diamètre, le conducteur de 35 mm de diamètre et le faisceau de quatre conducteurs de 35 mm de diamètre. La ligne témoin comprend le conducteur témoin de 7,93 mm de diamètre. Les instruments installés mesurent les données météorologiques et les charges mécaniques appliquées sur les conducteurs. Mais, dans ce genre de conditions expérimentales, les charges mesurées ne sont pas toujours expliquées par l'accumulation de glace atmosphérique. En effet, la variation de la charge enregistrée sur les conducteurs peut être due aux effets aérodynamiques engendrés par le vent, à la dilatation thermique des conducteurs ou à la dérive électronique de l'instrumentation, et non à la glace. Notre démarche est la suivante. Nous estimons d'abord théoriquement les effets des charges aérodynamiques et de la dilatation thermique sur les conducteurs, chargés ou pas de glace. Puis, nous comparons ces résultats aux données expérimentales où nous avons isolé chaque effet. Ensuite, nous observons dans la base de données les effets de la dérive électronique. Finalement, en utilisant les données théoriques pour valider les données expérimentales, nous déterminons un seuil de variation total de 61 g/m du signal de charge qui peut être expliqué par les effets cités ci-dessus. Après avoir brièvement présenté les outils statistiques de corrélation et de régression, nous élaborons la base de données contenant les phases d'accrétion en appliquant le critère donné. Les analyses des distributions, de corrélation et de régression sont effectuées sur les quatre types de glace classifies : le givre, le verglas, la neige mouillée et les mélanges, et sur les quatre types de conducteurs du site. Les études des distributions des paramètres météorologiques tels que la température de l'air et la vitesse du vent confirment bien les ordres de grandeur cités dans la littérature pour le givre, le verglas et la neige mouillée. La durée de la phase d'accrétion et le taux d'accrétion pour les mêmes types de glace présentent aussi des propriétés statistiques conformes aux données de la littérature dans le domaine. Une caractéristique propre au site du Mont Valin -où les observations de givre sont dominantes- est que la charge de givre atteinte en fin de phase d'accrétion est souvent supérieure à celle des autres types de glace. Les analyses de régression sur le taux d'accrétion montrent le lien entre cette variable et les paramètres mesurés sur le site. Le taux d'alarmes du givromètre et l'orientation du conducteur sont deux facteurs influents du taux d'accrétion du givre. Quant au verglas, le taux de précipitations est important à considérer, mais pas l'orientation du conducteur. Pour la neige mouillée, l'intensité du vent perpendiculaire au conducteur et le taux de précipitations sont les facteurs importants. Enfin, la vitesse du vent et la hauteur des précipitations sont les paramètres qui expliquent le mieux le taux d'accrétion dans le cas des mélanges. En conclusion, nous avons déterminé une valeur de la charge enregistrée sur le site du Mont Valin qui peut être expliquée par des phénomènes autres que l'accumulation de glace. En définissant et en appliquant un critère sur la base de données, nous avons pu étudier les caractéristiques de la phase d'accrétion et les facteurs d'influence du taux d'accrétion. Néanmoins, l'étude du type de glace noté mélanges a démontré la complexité de son interprétation statistique. Une décomposition de ce type de glace par proportions de givre et de verglas et une analyse statistique plus détaillée de ses caractéristiques mèneraient vers une meilleure compréhension des facteurs d'influence de l'accrétion de la glace atmosphérique.

Au Québec, l'inventaire forestier est une préoccupation importante des services forestiers puisqu'il constitue la base de fonctionnement de plusieurs phases de gestion liées à l'industrie forestière. La photo-interprétation conventionnelle et la télédétection satellitaire ne permettent pas de différentier avec certitude les essences forestières. La télédétection à haute résolution devient alors une nécessité permettant cette distinction. La vidéographie aérienne multibande (VAM) fait appel à un capteur mis au point récemment pour répondre à cette problématique. En effet, grâce aux nouveautés apportées par ce capteur, le présent travail tentera d'évaluer ces potentiels pour la discrimination des essences forestières à l'aide des rapports radiométriques de bandes spectrales. Ces rapports peuvent réduire le nombre de composantes à traiter et diminuer considérablement tous les effets multiplicatifs. Les effets multiplicatifs ou erreurs systématiques, sont dus non seulement aux facteurs extrinsèques au capteur, mais aussi souvent aux capteurs eux-mêmes, pourvu que ces facteurs agissent de la même façon sur toutes les composantes. Les désavantages principaux de cette méthode résident dans la difficulté de choisir la meilleure combinaison de rapports lorsqu'il existe un grand nombre de composantes image et de faire l'ajustement nécessaire de l'échelle des valeurs de sortie par plusieurs essais consécutifs. En effet, ces rapports peuvent varier de zéro à l'infini suivant les valeurs présentes dans les composantes. Un facteur d'échelle appliqué aux résultats doit donc être déterminé de telle sorte que la très grande majorité des valeurs soient comprises entre 0 et 255 niveaux de gris, si les composantes et les images-rapports sont stockées en 8 bits. Le facteur d'échelle est nécessaire si on veut visualiser les images-rapports sur écran cathodique. Enfin, si les données contiennent beaucoup de bruits additifs (l'effet de l'atmosphère par exemple) l'image résultante aura un aspect granuleux, puisque les bruits s'additionneront (Bonn et al, 1992). Dans ce cas, les bruits additifs seront éliminés par des soustractions radiométriques entre des images prises dans différentes bandes spectrales avant de réaliser les rapports radiométriques.

La performance électrique des isolateurs de lignes de transport d'énergie électrique est dégradée par la présence de glace à leur surface. Cet affaiblissement de la tenue électrique des isolateurs peut être tel que des arcs électriques peuvent prendre naissance et se développer jusqu'à provoquer un contournement total des isolateurs. Le contournement électrique des isolateurs qui est ainsi produit peut alors engendré une interruption de courant. Il apparaît donc essentiel de connaître le plus adéquatement possible la performance électrique (sous glace) des isolateurs, lorsque ceux-ci sont situés dans un lieu propice à l'accumulation de glace à leur surface. Cependant, il n'existe présentement aucune norme standard pour tester des isolateurs sous des conditions de glace. Partant de là, une étude systématique, dont le but est de proposer une méthode standard d'essais sous glace et d'étudier l'influence de différents paramètres sur la tenue électrique d'isolateurs recouverts de glace, fut entreprise par le Groupe de Recherche en Ingénierie de l'Environnement Atmosphérique de l'Université du Québec à Chicoutimi. C'est dans ce projet de recherche que la présente étude s'inscrit. Le but de cette dernière est donc d'étudier l'influence de deux facteurs sur la tension de tenue maximale d'isolateurs recouverts de glace. Ces deux facteurs sont les suivants: la fonte de la glace (engendrée par l'augmentation de la température ambiante jusqu'au point de fonte de la glace) et le niveau de contamination à la surface des isolateurs. À l'issue des expérimentations réalisées au cours de la présente recherche, il apparaît que la fonte de la glace cause une diminution de l'ordre de 10% de la tension de tenue maximale, en comparaison aux essais réalisés sans période de fonte de la glace. Également, la présence de contamination à la surface des isolateurs cause une diminution de leur tenue électrique. C'est ainsi que la tension de tenue maximale des isolateurs contaminés légèrement (0,05 mg/cm2) était d'environ 5% plus faible que lors d'essais réalisés sans contamination. De plus, cette diminution de la tenue électrique des isolateurs devenait très critique lorsque le niveau de contamination était moyen (0,1 mg/cm2). Effectivement, des isolateurs composites ayant une densité du dépôt de sel à leur surface de 0,1 mg/cm2, furent contournés par un arc électrique au cours de la période de fonte de la glace, alors qu'ils étaient sous tension de service. Dans le présent mémoire, quelques notions de bases sont relatées dans le but de donner une meilleure compréhension de l'objet d'étude. Également, une revue des principales recherches réalisées dans ce domaine est présentée. Enfin, les résultats de ce travail de recherche, de même que leur analyse, sont présentés en détail.