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Master’s thesis deals with the description of cranktrain friction and presents and describes experimental cranktrain friction loss evaluations and computational cranktrain friction loss evaluations. The main problem is the creating software solution of selected computational friction loss evaluations that leads to calculation of cranktrain friction losses. Master’s thesis describes chosen computational friction loss methods and the subsequent creation of the software solution. After application on chosen internal combustion engine, it evaluates the results and draws conclusions about functionality of the software solution.

Cette thèse porte sur le développement d’un cogénérateur résidentiel constitué d’un générateur linéaire asynchrone entraîné par deux moteurs Stirling fonctionnant en mode ‘piston libre double effet’. Les critères caractérisant un tel cogénérateur sont décrits ainsi que ses différents modes d’utilisation dans le domaine résidentiel. Les différentes technologies sont passées en revue.Les équations de la mécanique sur lesquelles se fondent le contrôle du couplage thermoélectrique du cogénérateur et sa stabilité y sont définies. Le générateur électrique est modélisé en vue de calculer les grandeurs électriques des équations à bobines couplées et les grandeurs du schéma électrique équivalent, ce schéma permet d’inverser le modèle.Les résultats des modèles analytiques sont validés par des mesures faites sur des maquettes spécialement conçues. Une étude paramétrique de la structure du générateur a permis d’optimiser ses performances. Les équations de la mécanique et le modèle électrique sont utilisés pour poser les bases d’une optimisation ‘système’ du cogénérateur. / This thesis focuses on the development of a residential cogenerator which consists of a linear induction generator driven by two Stirling engines, free-piston double-acting operating mode. The criteria characterizing such cogenerator are described and its various modes of use in the residential sector. The various technologies are reviewed.The equations of mechanics that underlie the control of the coupling of thermoelectric cogeneration and stability are defined.The electric generator is modeled to calculate the electrical coil coupled equations and the magnitudes of the equivalent circuit, this scheme allows us to reverse the pattern. The results of analytical models are validated by measurements on specially designed models. A parametric study of the structure of the generator has optimized its performances. The equations of mechanical and electrical model are used to lay the groundwork for optimization of all the cogenerator, considered as a system.

Cette thèse est consacrée è la modélisation et a la simulation de l’ensemble PISTON /SEGMENT/ CHEMISE, d’un moteur thermique. Dans un moteur, le piston muni de segments est en mouvement relatif dans la chemise. Ce système est lubrifié par projection d’huile, les segments et la surface de la chemise “contrôlent” la quantité de lubrifiant restant sur la paroi. Pour modéliser ce phénomène, le modèle conservatif parabolique-hyperbolique d’Elrod-Adams (P − θ), prenant en compte la cavitation (présence de gaz dans le fluide, aspect multiphasique de l’écoulement), est couplé a un modèle de contact, celui de Greenwood-Tripp (basé sur une approche statistique de la surface). En se restreignant a l’écoulement et au contact, nous négligeons beaucoup de phénomènes physiques pouvant intervenir comme le grippage ou les effets thermiques. Dans une première partie, les phénomènes mécaniques sont étudiés, de la réalisation de la surface des chemises è la modélisation de la physique de la lubrification du contact segment/chemise. Cette étude expose les simplifications effectuées et le choix des conditions aux limites pour la prise en compte de la cavitation en tant que problème a frontière libre, notamment au niveau du débit d’entrée pour simuler un fonctionnement “normal”. Dans une deuxième partie, la mise en oeuvre et la modification de l’algorithme “classique” pour des surfaces mesurées sont décrites en détail. Nous présentons les performances simulées de différentes surfaces, et nous les comparons è des essais effectués par Renault. Dans une troisième partie, des modifications sont introduites au modèle (P − θ) utilisé précédemment afin de rendre l’écoulement cohérent avec le modèle de Navier-Stokes. Bien que ce nouveau problème puisse être posé en dimension 2, l’étude mathématique ne concerne que la dimension 1. On se ramène a un système dynamique dont les inconnues sont les frontières libres. L’unicité de la solution impose l’introduction d’un paramètre artificiel. Le comportement local et/ou global en temps est déterminé par les paramètres géométriques et les conditions aux limites. L’introduction de deux paramètres supplémentaires permet de démontrer l’existence et l’unicité de la solution. Dans une dernière partie, nous comparons le modèle de cavitation proposé avec le modèle P − θ. / This work deals with the modeling and simulation of contact between piston rings and liner of an engine. In the engine, the piston-rings are in relative motion with respect to the liner. This mechanism is lubricated and the purpose of this piston-ring system is to control sealing between combustion chamber and lower part of engine, keeping under control lubricant quantity on the surfaces. We modeled this phenomenon using the Elrod-Adams models (P-θ), which are conservative parabolic-hyperbolic models, taking into account the cavitation phenomenon (the presence of gas bubbles in fluid, so that it can be understood a multiphased flow) coupled with the Greendwood-Tripp model, which models the elastic contact by a statistical approach. When we focus on the modeling of the oil flow and asperity contacts, we neglect many physical phenomena like scuffing and thermal effects. In the first part, we focus on the kinematics of the engine, from the design to the different models to describe a lubricated contact. We explain all the simplifications in the engine body and the boundary conditions we use in the cavitation model to solve it as a free boundary problem, in particular for the choice of the flow rate to simulate a ``normal functioning''. In the second part, we describe the algorithm implementation and the required modifications when using real surface topography. We compare several surfaces and study the influence of simulation parameters, then we compare the result with experimental data obtained by Renault company. In the third part, we modify the (P-θ) model, to have the same flow rate in the cavitation zone as in the Navier-Stokes model. It can be studied in 2-dimensions, however we only explain the mathematical study in 1D. We study this model as a dynamical system for which the unknown variables are the free boundaries. The uniqueness is imposed by the addition of an adjustable parameter. The local and global behavior in time are determined by geometrical parameters and boundary conditions. In the last part, we compare the new cavitation model with the P-θ model.

Pour améliorer le rendement des moteurs essence, une méthode efficace est le downsizing qui consiste en la diminution de la cylindrée moteur compensée par l’ajout d’un compresseur pour maintenir la puissance. Lorsque le niveau de downsizing est trop important les fortes pression et températures rencontrées favorisent l’apparition de phénomènes d’auto-allumage de type cliquetis ou rumble néfastes pour l’intégrité du moteur. Ce type de phénomène, aujourd’hui encore mal compris, constitue une limite à l’utilisation du downsizing. Dans cette thèse la Simulation aux Grandes Echelles est utilisée pour étudier ce type de combustion dite anormale. L’objectif est de proposer une méthodologie numérique capable de reproduire leurs apparitions pour en étudier les mécanismes. L’auto-allumage est un mode de combustion sensible aux variations des conditions thermodynamiques locales. Des méthodes numériques précises et des modèles appropriés, en particulier pour la thermique paroi doivent donc être utilisés. La première partie de ce manuscrit présente la méthodologie numérique proposée et en particulier deux aspects développés lors de cette thèse: un modèle d’auto-allumage qui permet de reproduire le délai d’auto-allumage des gaz frais avec un schéma cinétique réduit et une méthodologie de couplage entre la chambre de combustion et la culasse permettant de définir des champs de températures paroi réalistes. La seconde partie de ce manuscrit présente les résultats de deux études numériques reproduisant certains points de fonctionnement d’un moteur expérimental. La première étude est réalisée à l’aide de modèles de combustion de la littérature et vise à reproduire le comportement expérimental pour diverses variations paramétriques influant sur la combustion. La seconde étude est réalisée à l’aide des modèles développés dans cette thèse afin d’étudier l’impact de la thermique paroi dans les mécanismes d’apparition des combustions anormales. / In order to improve the efficiency of gasoline engines, one efficient solution resides in engine downsizing which consists in the diminution of the engine size with the adjunction of a compressor to keep the power output. When the downsizing level is important, the high pressure and temperature levels promote auto-ignition phenomena such as knocking or rumble that can damage the engine. This kind of combustion, still misunderstood, is a limit to further use downsizing. In this thesis, Large Eddy Simulation is used to study this kind of abnormal combustions. The objective is to propose a numerical methodology able to reproduce its apparition and to understand its mechanisms. Auto-ignition is a combustion regime very sensitive to the variations of local thermodynamic conditions. Precise numerical methods and appropriate models, especially for thermal boundary conditions must be used. The first part of this manuscript presents the proposed numerical methodology and in particular two aspects implemented during this thesis: an auto-ignition model that permits to reproduce auto-ignition delays with reduced kinetic schemes and a coupling methodology between combustion chamber and cylinder head in order to obtain realistic temperature fields for the boundary conditions. The second part of this manuscript presents the results of two numerical studies that reproduce some operating points from an experimental engine database. The first study is performed using combustion models from the literature and aims at reproducing experimental behavior for various parametric variations impacting the combustion. The second study is performed thanks to the numerical models implanted in this thesis in order to evaluate the impact of the thermal boundary conditions on the mechanisms leading to abnormal combustions.

Un fluide porté à une température et pression supérieures à celles du point critique est communément appelé fluide supercritique. Ce fluide possède des propriétés particulièrement intéressantes à cheval entre celles des gaz et celle des liquides. En effet, la masse volumique d’un fluide supercritique est proche de celle d’un liquide tandis que sa viscosité est proche de celle d’un gaz. Une des caractéristiques particulières de ces fluides quand ils s’approchent du point critique est que plusieurs des propriétés thermo-physiques montrent un comportement singulier (compressibilité divergente, diffusivité thermique évanescente etc). Dans ce travail, un modèle mathématique basé sur les équations de Navier-Stokes couplées à celle de l’énergie est proposé afin d’étudier les écoulements de ces fluides très proches de leur point critique. La validation du modèle a été effectuée sur un problème de propagation d’onde acoustique dans l'eau. Nous avons ainsi observé que des solutions précises avec des schémas implicites pour des systèmes non linéaires sont possibles avec des nombres de Courant élevés. L’étude des écoulements dans des fluides supercritiques, lorsqu'ils sont assujettis à une trempe thermique et à une vibration simultanées ont montré que de telles conditions pouvaient conduire à la formation d’instabilités thermo-vibrationnelles, en particulier les instabilités de Rayleigh-vibrationnelles et paramétriques. Les simulations numériques nous ont permis de relever deux phénomènes particulièrement surprenants : (i) la température du fluide à l’intérieur du domaine devient inférieure à la trempe de température imposée à la frontière et (ii) une oscillation des doigts d’instabilité apparaît dans la couche limite thermique dans la direction de la vibration. Dans le cas des fluides sous le point critique (cas diphasique), le modèle compressible développé est couplé à un de champ de phase (“phase field”) dans les conditions isothermes. Des cas tests élémentaires ont été considérés avec succès. Une discussion est proposée afin d’étendre le modèle dans le cas d’une transition continue du régime supercritique au régime sous-critique et vice-versa. / A fluid, in addition to its liquid and gas phase, is known to exist in another phase, wherein the fluid inherits some properties of both the phases. Such a fluid is called a supercritical fluid and the conditions (pressure and temperature) beyond which the fluid exists in this state is called the critical point. One of the peculiar feature of the fluids near the critical point is that the various thermo-physical properties show a singular behavior, such as diverging compressibility, vanishing thermal diffusivity etc. The flow behavior near the critical point leads to intriguing flow features ascribed to the strong thermo-mechanical coupling whose in-depth investigation can be limited by experimental constraints especially during a continuous transition from supercritical to subcritical regime. The current work focuses on analyzing the flow behavior in near-critical fluids with prime focus on supercritical fluids. This is achieved by developing a mathematical and numerical model which is followed by the validation study and error analysis of the numerical scheme wherein unusual behavior of the Courant number is observed. Subsequently, the flow behavior of supercritical fluid is studied when simultaneously subjected to thermal quench and vibration, mainly Rayleigh-vibrational and parametric instabilities, their physical mechanism and various parameters affecting them. In addition, two captivating phenomena, firstly where the temperature of the fluid region drops below the imposed boundary condition and secondly, the see-saw motion of the thermal boundary layer are observed and physical explanations are provided. In order to investigate the flow dynamics in subcritical regime, phase-field modelling approach is explored for isothermal conditions. The model is examined for elementary test cases illustrating the feasibility to extend the model for a continuous transition from supercritical to subcritical regime.

Résumé en français indisponible. / Mechanisms of volatile transfer from subducting slab to the melting region beneath arc volcanoes are probably the least understood process of arc magma genesis. Fluorine, which suffers minimum degassing in arc primitive melt inclusions, retains the information about the role of volatiles during magma genesis at depth. Experimentally determined solubility of F in aqueous fluid, and partition coefficients of F between fluid and minerals provide first order geochemical constraints about the volatile-transporting agent.My thesis experimentally determined F solubility in fluid and its partition coefficients among several phases. The systems are in equilibrium with hornblende and a humite group mineral (some contain melt or pyroxene) at 1 – 2 GPa, from 770 to 1047 °C, or equilibrium with hydrogrossular, pyroxene and norbergite or chondrodite at 2.5 – 3 GPa and 877 °C. The experiments were conducted with piston cylinder and cold sealing technique. The oxygen fugacity conditions were controlled by NNO buffer, while some were unbuffered. The fluids were extracted into volumetric flasks, and their compositions were determined by mass balance calculations. Moreover, the consistency was verified by HPLC for fluorine ion, and ICP-MS or ICP-AES for major cations of the quenched fluids.In 1 GPa experiments, the quench phases are so rare that the majority of the fluid compositions from direct analyses are consistent with mass balance results in their uncertainties. Moreover, my mass balance procedure takes into account all the measurements errors, which leads to large uncertainties on fluid compositions. The consistency demonstrates that most of fluorine aflter annealing in the capsule is present as fluorine ion. Futhermore, increases of the masses of starting materials, fluid proportions and analytical precisions will improve the uncertainties performances. ������������ can be represented by a single value 0.135 ± 0.036, which is independent of temperature, bulk composition and buffer conditions at 1 GPa. Df between fluid and humite group minerals is much less. Xf of hornblende and norbergite decrease from 1 to 2 GPa, while F partitionig between them doesn't change much. It indicates that F partitioning between fluid and minerals increases. Moreover, F concentrations in norbergite between NNO buffered and unbuffered experiments are significantly different. Meanwhile, Fe concentration variations of norbergite indicate that unbeffered experiments have higher oxygen fugacity than the NNO buffered ones. According to high temperature improves the free radical exchange reactions, H2O + 0.5O2 ⇄ 2OH. It indicates that both water fugacity and oxygen fugacity contribute to OH fugacity in fluid. I developed a simple model in which XF in humite group minerals are correlated to the ratio between F and OH. It is sucessfully applied to estimate the F concentration in the fluid, which co-exists with clinohumite, using Xf value.With the knowledge of my study, a new constraint can be framed on slab flux. The average F concentration in the fluid is 2700 ppm for F-rich experiments and it constrains the maximum amount of F carried by fluid in the presence of amphibole. Using partition coefficient of F to estimate F abundance in subducting slab, one can conclude that the increase of F concentration in the subarc mantle by fluid, in equilibrium with hornblende, to be less tan 5 ppm. Significant F enrichments found in arc lavas cannot be derived from aqueous fluid of subductiong slab in the presence of amphibole. Therefore, this result highlights the role either 1) slab melt, 2) fluid in equilibrium with eclogite, or perhaps 3) supercritical fluid for the element transfer from slab to mantle wedge.

One of the key responsibilities of Getinge's ventilators is to deliver accurate gas volumes to patients. To ensure this precision, specially designed rigid steel tanks are utilized to evaluate the performance and precision of the ventilators in providing exact air volume. The intention of this study is to design and implement a suitable controller for actuating a servo piston pump in order to be used for the tank volume measuring and calibration process. Two controlling strategies were chosen for this purpose: Linear Quadratic Regulator (LQR) and Fractional Order Proportional Integral Derivative (FOPID). This work also aimed to establish a narrative of the two controlling strategies after optimizing them using genetic algorithm optimization (GA) and evaluating their effectiveness in controlling a brushless DC motor (BLDC) actuating a servo piston pump. This involved modeling the system in Matlab and Simulink based on the mathematical representations of the system's dynamics, specifically focusing on its pneumatic behavior. The nonlinear model was linearized and served as a basis for the controllers' optimization through the genetic algorithm. Both controller designs were then compared in both the Simulink environment and the actual physical system. The results show that the FOPID exhibits superior performance in the Simulink environment. Contrariwise, the LQR displays a far greater level of superiority in the physical system, whereas the FOPID performance significantly deteriorated upon implementation in the physical system. Furthermore, the study suggests implementing anti-windup techniques and ensuring the accurate digitization of fractional calculus for further research to enhance the performance of the FOPID controller on the physical system. / En av de centrala uppgifterna för Getinges ventilatorer är att leverera exakta gasvolymer till patienter. För att säkerställa denna precision används speciellt designade ståltankar för att bedöma ventilatorernas funktion och precision att leverera exakt luftvolym. Syftet med denna studie är att utforma och implementera en lämplig Styrenhet för att aktivera en servokolvspump som ska användas för tankvolymens mätning och kalibreringsprocess. Två styrstrategier valdes för detta ändamål: Linear Quadratic Regulator (LQR) och Fractional Order Proportional Integral Derivative (FOPID). Arbetet kommer också att syfta till att etablera ett narrativ för de två styrstrategierna efter att ha optimerat dem med genetisk algoritmoptimering (GA) och utvärderat deras effektivitet vid styrning av en borstlös DC-motor som aktiverar en servokolvspump. Detta innefattade modellering av systemet i Matlab och Simulink baserat på de matematiska representationerna av systemdynamiken, med speciellt fokus på dess pneumatiska beteende. Den icke-linjära modellen linjäriserades och fungerade som grund för regulatorernas optimering genom den genetiska algoritmen (GA). Båda regulatorernas utformningar jämfördes sedan både i Simulink-miljön och det fysiska systemet. Resultaten visar att FOPID uppvisar överlägsen prestanda i Simulink-miljön. Å andra sidan visar sig LQR vara överlägsen i det fysiska systemet, medan FOPID-prestandan försämras avsevärt vid implementering i det fysiska systemet. Dessutom föreslår studien att implementera anti-windup-tekniker och säkerställa korrekt digitalisering av fraktionell kalkyl för vidare forskning för att förbättra prestanda för FOPID-regulatorn på det fysiska systemet.

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