Laboratoire de thermofluide pour le transport
Le laboratoire de thermofluide pour le transport (TFT) s’intéresse à l’application de la thermodynamique et de la dynamique des fluides aux écoulements complexes qui surviennent dans les technologies de transport aéronautique et terrestre.
Les thématiques transversales qui y sont abordées portent sur l’aérodynamique externe et interne, les propriétés des écoulements (stabilité, transition, turbulence), la caractérisation des écoulements réactifs, l’analyse de la combustion de carburants pétroliers et alternatifs, la modélisation des phénomènes de givrage aéronautique et la conception aérodynamique d’aéronefs non conventionnels.
Le laboratoire TFT en quelques chiffres
- 6 professeurs de l'ÉTS et 1 professeur associé (Technische Universität de Berlin)
- 2 chaires de recherche industrielle
- Plus de 10 millions $ de subvention et de contrats de recherche obtenus au cours des 5 dernières années
- Plus de 50 étudiantes et étudiants diplômés à la maîtrise et au doctorat au cours des 3 dernières années
- Près de 70 articles de journaux avec comité de lecture et une soixantaine de conférences avec acte au cours des 3 dernières années
- Plus d’une trentaine de partenaires académiques et industriels au Canada et dans le monde.
Le professeur Louis Dufresne est spécialiste de la dynamique des fluides, plus particulièrement de l'application de la dynamique des fluides numérique à l’étude des écoulements tourbillonnaires et turbulents. Ses activités de recherche au sein du laboratoire TFT portent sur la simulation numérique en dynamique de la turbulence de sillage d’aéronef, la dynamique des écoulements dans des mélangeurs planétaires ainsi que la dynamique d'écoulement dans des injecteurs de carburant. Les méthodes de simulation utilisées dépendent du problème à résoudre et peuvent être des méthodes RANS, LES ou DNS, et utilisent des techniques de volume fini ou des méthodes spectrales. Ses travaux ont reçu l’appui du Conseil de recherche en sciences naturelles et en génie du Canada (CRSNG) et du Fonds de recherche du Québec - Nature et technologie (FQRNT). Outre ses travaux de recherche, le professeur Dufresne donne des conférences sur la dynamique des fluides et l’aérodynamique.
Le professeur François Garnier est spécialiste de l’aéronautique. Il est titulaire d’un doctorat de l’Université Pierre et Marie Curie, Paris VI (1990) et d’un diplôme d’habilitation à diriger les recherches en génie mécanique, plus précisément en mécanique des fluides et en transfert thermique, délivré en 1999 par l’Office national d’études et de recherches aérospatiales (ONERA). En 2005, il est devenu directeur des activités de l’ONERA en matière d’aéropropulsion, agissant à titre de responsable des relations avec deux sociétés du groupe Safran (Snecma et Turbomeca). À ce titre, il siégeait au comité permanent du partenariat ONERA-Safran. Il a également été membre représentant la France à l’International Society for Air Breathing Engines (ISABE) et membre de la Société française de Thermique. Le professeur Garnier a plus de 20 ans d’expérience dans le domaine de la dynamique des fluides numérique appliquée à l’aéropropulsion. Le financement de ses recherches est issu d’un éventail de sources, notamment de la Commission européenne. Il prend part à plusieurs projets d'envergure se penchant sur l’incidence qu’ont les émissions issues des moteurs d’aéronef sur l’atmosphère. Il est enfin titulaire de la Chaire de recherche industrielle Safran sur le développement de systèmes d’aéropropulsion durables.
Le professeur Romain Lemaire possède une expertise dans le domaine de la caractérisation des processus physicochimiques d’oxydation des combustibles d’intérêt industriel. Ingénieur en génie des procédés industriels et titulaire d’un doctorat en chimie, le professeur Lemaire a exercé les fonctions de maître de conférences pendant plus de 7 ans en France, où il a notamment coordonné des programmes de recherche financés par le Fonds européen de développement régional, l’Agence nationale de la recherche et le Centre national de la recherche scientifique. Après avoir obtenu son habilitation à diriger des recherches en sciences physiques, il a rejoint le Département de génie mécanique de l’ÉTS et le laboratoire TFT dont il est devenu responsable en 2017. Les recherches qu'il mène portent sur : 1) l’étude du pouvoir suitant de carburants moteurs et de biocarburants oxygénés; 2) le développement de diagnostics laser pour la caractérisation des milieux réactifs et 3) la modélisation des processus de pyrolyse et d’oxydation des combustibles solides. Les recherches du professeur Lemaire ont notamment reçu le soutien financier du CRSNG, du Fonds des leaders de la Fondation canadienne pour l'innovation (FCI) et de Mitacs.
Le professeur François Morency enseigne à l’ÉTS depuis 2004. Il donne régulièrement des cours sur la mécanique des fluides numérique, la thermodynamique et la conception d’aéronefs. Ses activités de recherche portent sur l’application d'outils de dynamique des fluides numérique aux problèmes de conception de l’industrie aéronautique. Le professeur Morency travaille depuis plus de 20 ans dans le domaine de la simulation numérique du givrage aéronautique. Il présente régulièrement les résultats de ses travaux de recherche à l’occasion de conférences organisées par l’American Institute of Aeronautics and Astronautics et le Canadian Aeronautics and Space Institute. Il est aussi membre du conseil d’administration de la CFD Society of Canada. Il est enfin membre associé de l’équipe Cardamom de INRIA Bordeaux Sud-Ouest.
La professeure Marlène Sanjosé est spécialiste en simulation numérique appliquée à la mécanique des fluides. Ses recherches se concentrent principalement sur les effets instationnaires des écoulements complexes et turbulents dans des applications d'ingénierie dans le but d’améliorer l'efficacité et le contrôle des systèmes. Son travail de recherche porte également sur l'analyse de résultats de simulations aux grandes échelles qui fournissent des bases de données pour la conception de modèles réduits à l'aide de techniques d'analyse modale et d'apprentissage automatique. Ces techniques contribuent à l’avancement des outils de prédimensionnement des turbomachines (ventilation, propulsion, hydraulique) en incluant des modèles permettant de prendre en compte des effets complexes aérodynamiques et aéroacoustiques. Ses travaux de recherche reçoivent l'appui du CRSNG.
Le professeur Patrice Seers est spécialiste de la combustion. Les études expérimentales et numériques qu’il mène ont trait à l’analyse de la formation et de la combustion des jets de biocarburants. Les travaux expérimentaux réalisés au laboratoire TFT permettent notamment de quantifier les performances et les émissions polluantes des moteurs à combustion interne. La caractérisation des jets de carburant, dans des conditions évaporatives ou non, est réalisée à l’aide d’une enceinte pressurisée à accès optiques. Les recherches numériques portant sur les mêmes sujets sont réalisées quant à elles au moyen d'une grappe d'ordinateurs et de postes de travail spécifiques favorisant la conception et la validation de modèles. Le professeur Seers reçoit, entre autres, l’appui des programmes du CRSNG.
Le professeur Julien Weiss est spécialiste de la mécanique des fluides et de l’aérodynamique expérimentale. Il s’intéresse aux écoulements complexes en aéronautique, notamment au décollement et à la turbulence dans les couches limites. Le développement de nouveaux instruments de mesure destinés aux applications thermiques et fluidiques et l'amélioration des techniques d'essais aérodynamiques en soufflerie font aussi l’objet de ses travaux. Avant sa nomination à l’ÉTS, le professeur Weiss a travaillé pendant plusieurs années chez Bombardier Aéronautique et Alstom Power, à l’Université Duke et au Centre de recherche Langley de la NASA. Bien qu’ayant rejoint la Technische Universität de Berlin en 2018, Julien Weiss demeure professeur associé au Département de génie mécanique de l’ÉTS et membre du laboratoire TFT.
Laboratoire TFT-moteur (A-0681-1)
Ce laboratoire est équipé d’un moteur à injection directe et à allumage commandé entièrement instrumenté. Il est relié à un contrôleur programmable permettant de modifier, à volonté, l’avance à l’injection et l’avance à l’allumage. Cette souplesse permet d’optimiser les paramètres de contrôle des moteurs et d’évaluer de nombreuses stratégies d’injection liées à l’utilisation des biocarburants. Le moteur est relié à un dynamomètre AVL et la mesure des émissions polluantes ainsi que l’analyse de la taille des particules se font au moyen d’analyseurs de gaz d’échappement (CO, NOx, HC, CO2, O2) et d’un granulomètre à mobilité électrique (ou SMPS pour Scanning Mobility Particle Sizer).
Laboratoire TFT-combustion (A-1241)
Ce laboratoire a été créé pour étudier les mécanismes physicochimiques impliqués dans l’oxydation de combustibles d’intérêt industriel, incluant notamment des combustibles dérivés de la biomasse. Les travaux menés au sein de ce laboratoire portent entre autres sur la caractérisation du comportement en combustion et sur la mesure du pouvoir suitant de carburants moteurs et de biocarburants oxygénés. Pour cela, le laboratoire est équipé d'une lampe à smoke point automatisée de même que d’un banc d’essai reposant sur un brûleur à flamme plate hybride permettant de mesurer le Fuel Equivalent Sooting Index (FESI). Le laboratoire comprend également une chambre de combustion avec accès optiques équipée d’un brûleur à Swirl d’une puissance de 100 kW. Diverses techniques de mesure sont en outre couramment employées, dont la pyrométrie bichromatique, l’incandescence et la fluorescence induites par laser (LII/LIF), la vélocimétrie par imagerie de particules (PIV), l’analyse des gaz de combustion par spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier (FTIR), de même que l’analyse de la taille des particules de suie par granulométrie à mobilité électrique (SMPS). En complément, le laboratoire est également équipé d’un réacteur à flamme plate hybride permettant d’étudier les processus de pyrolyse des combustibles solides à fort gradient de chauffe (> 105 K/s).
Laboratoire TFT-aéro CL (A-2200)
L’élément central de ce laboratoire est une soufflerie à couche limite à rafales subsoniques conçue spécialement à des fins de recherches fondamentales sur les écoulements turbulents décollés/recollés à basse vitesse. La configuration de cette installation permet le développement d'une couche limite turbulente en gradient de pression nul, soumise en aval à des zones de gradient de pression adverse et donnant lieu à la formation d’une bulle de décollement turbulente. Le nombre de Reynolds fondé sur l’épaisseur de quantité de mouvement de la couche limite immédiatement en amont du décollement est d’environ 3000. La taille de la bulle de décollement formée sur la surface d’essai peut être modifiée au moyen d’une paroi flexible installée à l’opposé. La surface d’essai ainsi que les parois latérales de la soufflerie sont faites de polycarbonate transparent offrant un accès visuel complet afin de réaliser des mesures optiques (p. ex., vélocimétrie par imagerie de particules (PIV)). De plus, des instruments de mesure peuvent être insérés à n’importe quel endroit de l’écoulement à l’aide d’attaches amovibles pouvant être encastrées dans la surface d’essai.
Laboratoire TFT-spray (A-2248)
Ce laboratoire est dédié à l’analyse de la formation et de l’évaporation des jets de carburant. Les études qui y sont menées font notamment appel aux techniques Schlieren et de shadowgraphy dans le but de caractériser les phases liquide et gazeuse des sprays de carburant en ayant recours, pour ce faire, à une enceinte pressurisée équipée d’accès optiques. Le laboratoire comprend également une bombe à combustion pour la mesure de la vitesse de flamme laminaire de vapeurs de carburant et/ou de combustibles gazeux. Enfin, un système de vélocimétrie par imagerie de particules (PIV) est utilisé pour étudier l’interaction entre les jets de carburant et la structure des écoulements d’air environnant.
Laboratoire TFT-simulation (A-2374)
Le laboratoire de simulation numérique est équipé de plusieurs stations de calcul permettant de réaliser des études numériques liées à des problèmes de mécaniques des fluides ou de combustion en faisant appel à différents codes de calcul CFD (STAR-CCM+, OpenFOAM, etc.). Il est en outre possible d’accéder, à travers ce laboratoire, aux superordinateurs de Calcul Québec.
Exemples de projets de recherche en cours
Pour faire face aux besoins croissants en énergie, la conception de vecteurs alternatifs biosourcés est devenue un élément clé des stratégies adoptées dans le monde pour répondre aux objectifs de réduction des émissions de gaz à effet de serre. Bien que la part des bioénergies dans l'approvisionnement énergétique total du Canada soit croissante, des progrès significatifs demeurent nécessaires pour accompagner le déploiement des biocombustibles issus de la conversion de la biomasse. Dans ce domaine, la pyrolyse constitue une voie très pertinente du point de vue énergétique et environnemental en vue de produire des biocarburants susceptibles de remplacer les combustibles usuels dans les chaudières et les moteurs (Wang et al., J. Anal. Appl. Pyrolysis 2022).
Des défis fondamentaux doivent cependant être relevés afin de mieux appréhender les mécanismes physicochimiques gouvernant les processus de pyrolyse de la biomasse. Dans ce contexte, le professeur Romain Lemaire a récemment entrepris des activités de recherche visant à explorer de nouvelles voies (notamment catalytiques) de production de biocarburants par pyrolyse de la biomasse lignocellulosique (Wang et al., Molecules, 2022; Wang et al., Catalysts 2022). Diverses ressources en biomasse issues des industries forestières et agricoles canadiennes sont considérées et traitées thermiquement en ayant recours à divers catalyseurs. Les cinétiques de pyrolyse sont modélisées en faisant appel à des schémas cinétiques globaux ou à des modèles phénoménologiques et le comportement en combustion des biohuiles générées est caractérisé à l’aide des nombreux dispositifs expérimentaux dont dispose le laboratoire TFT (lampe à smoke point, brûleurs à flamme plate, chambre de combustion, bancs moteurs, etc.).
Les professeurs Romain Lemaire et Patrice Seers mènent depuis plus d’une dizaine d’années des recherches portant sur l’analyse des processus physicochimiques impliqués dans la formation des suies. Ces polluants particulaires qui résultent de la combustion incomplète des hydrocarbures dans les procédés de combustion font l’objet de normes de plus en plus strictes du fait de leurs impacts avérés sur la santé et l’environnement. Afin de caractériser l’aptitude des carburants moteurs et des carburéacteurs à former des suies, les professeurs Lemaire et Seers ont développé un indicateur de pouvoir suitant, le Fuel Equivalent Sooting Index (FESI), spécifiquement adapté à l’analyse des biocarburants oxygénés (Lemaire et al., Comb. Flame, 2015). Le FESI a par la suite été couplé à diverses propriétés physiques des carburants (dont leur pouvoir calorifique et leur chaleur latente de vaporisation) afin de proposer une corrélation permettant de simuler les émissions particulaires mesurées en sortie d’un moteur à allumage commandé alimenté par des mélanges à base d’essence et de composés oxygénés (alcool, ester, aldéhyde, cétone) (Lemaire et al., Fuel 2019). De telles recherches se poursuivent actuellement au laboratoire TFT et ont notamment donné lieu au développement d’un modèle thermodynamique prédictif permettant d’étudier l’impact de la recirculation des gaz brûlés et de la composition des carburants sur les performances et les émissions, notamment particulaires, des moteurs Diesel (Billerot et al., Int. J. Engine Res., 2022).
Le professeur François Morency mène des activités de recherche centrées sur la simulation numérique du givrage et du dégivrage des avions. Les conditions givrantes en aéronautique apparaissent au sol à la suite de précipitations (glace, givre ou neige). Afin d’éviter des accidents, le dégivrage est une procédure par laquelle le contaminant solide est enlevé d’un aéronef en utilisant un liquide de dégivrage. Ainsi, les simulations numériques menées au laboratoire TFT ont pour but d’améliorer l’épandage du liquide de dégivrage en identifiant les paramètres critiques à évaluer à l’instar de l’épaisseur de film de liquide. De plus, lorsqu’un avion en vol rencontre des conditions météorologiques givrantes, de la glace peut se déposer à la surface de l’appareil. Les débris de glace délogés par la mise en action des systèmes de dégivrage peuvent devenir des projectiles dangereux, dont la trajectoire doit être connue. Les travaux de recherche menés par le professeur Morency et son équipe visent de fait également à prévoir la trajectoire de ces débris pour éviter de placer des éléments critiques de l’avion, comme les moteurs, dans leur zone de passage.
Dans le cadre d'une collaboration avec les professeurs Louis Dufresne et Romain Lemaire du laboratoire TFT, ainsi qu'avec les professeurs spécialisés dans le domaine des matériaux Vladimir Brailovski et Patrick Terriault du Département de génie mécanique de l'ÉTS, le professeur Patrice Seers a entrepris des travaux de recherche portant sur le développement de brûleurs poreux innovants à base de métal et de céramique utilisant des technologies d'impression 3D (Samoilenko et al., Appl. Therm. Eng. 2019). En plus de fabriquer et de caractériser par voie expérimentale différentes matrices poreuses cobalt-chrome ayant des structures en maille de diamant, ces travaux intègrent également un volet CFD ayant pour objet de modéliser, à l'échelle des pores, le comportement des écoulements en présence et les caractéristiques de combustion dans les milieux poreux isotropes et homogènes. Ces travaux qui se poursuivent actuellement ont permis de montrer que le recours aux structures poreuses développées conduisait à un dégagement d'énergie plus homogène avec moins de variations spatiales de la température, offrant ainsi l'avantage de diminuer les contraintes thermiques liées aux gradients de température qui induisent des problèmes de rupture des structures constitutives de ce type de brûleur (Billerot et al., Energy 2020). La conception de milieux poreux sur mesure est en outre également étudiée au laboratoire TFT, et ce, dans le cadre de la production de gaz de synthèse à partir de la combustion riche du méthane (Roussel et al., Int. J. Hydrog. Energy 2022).
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