قسم الهندسة الميكانيكية

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    Contribution à la modélisation géométrique,cinématique et dynamique des robots continuum bioniques
    (2021) Djeffal, Selman; Mahfoudi, Chawk
    Cette thèse étudie le robot continuum bioniques en particulier ceux actionnés par câbles et le robot continuum qui s'appelle Compact Bionic Handling Assistant (CBHA). En premier lieu, nous avons développé une approche simplificatrice du modèle géométrique direct (MGD) d'un robot continuum flexible à courbure variable (CV). Cette simplification consiste à établir une relation entre les angles de flexion de toutes les unités de la même section en fonction de l'angle de flexion de la première unité appartenant à la même section. Le but est la réduction du nombre de degré de liberté du robot. En ce qui concerne le modèle géométrique inverse (MGI) du robot continuum multisections, il s'avère complexe et cela s'est confirmé par l'inexistence d'une solution analytique dans les travaux de recherches existants actuellement. Pour résoudre ce problème, on s'est orienté vers des méthodes méta-heuristiques pour la résolution du MGI. En particulier notre contribution se base sur l'utilisation et la comparaison des trois méthodes d'optimisation PSO, GA et ABC. Ces trois méthodes utilisent une fonction objectif minimisant une distance désirée entre le robot et la cible sous différentes contraintes d'orientation du robot. Pour donner un aspect pratique au modèle développé, une conception d'un robot flexible continuum à deux section a été proposée avec tout le calcul de dimensionnent, à savoir corps du robot ainsi que les mécanismes de commande. Cette thèse se termine par la proposition d'un modèle dynamique préalable pour le robot continuum à courbure variable qui pourra servir pour une future mise en ouvre d'un banc d'essai pratique. L'établissement de ce modèle dynamique s'appuie sur les approximations de Taylor. Afin de dériver le lagrangien du modèle dynamique, on a utilisé les approximations de Taylor et puis l'équation différentielle obtenue a été résolue par la méthode de Runge-Kutta d'ordre 4. Globalement, toutes les simulations réalisées ont été faites sous l'environnement MATLAB. This thesis studies the robot bionic continuum in particular those actuated by cables and the robot continuum which is called Compact Bionic Handling Assistant (CBHA). First, we have developed a new method allowing the simplification of the forward kinematic model (FKM) of a flexible continuum robot with variable curvature (CV). This simplification consists in establishing a relationship between the bending angles of all units of the same section as a function of the bending angle of the first unit belonging to the same section. The goal is to reduce the number of the robot's degrees of freedom. Regarding the inverse kinematic model (IKM) of the multi-section continuum robot is complex and this is confirmed by the lack of an analytical solution in the currently existing research work. To figure out this problem, we have turned to meta-heuristic methods for the resolution of IKM. In particular our contribution is based on the use and comparison of the three optimization methods PSO, GA and ABC. These three methods use an objective function that minimizes a desired distance between the robot and the target using different constraints. To give a practical aspect to our work, a design of a flexible two-section continuum robot has been proposed with all the dimensioning calculation, namely the robot body as well as the control mechanisms. This thesis is conluded with the proposal of a preliminary dynamic model for the continuum robot with variable curvature which can be used for future improvements. The establishment of this dynamic model is based on Taylor approximations. In order to derive the Lagrangian of the dynamic model, we used Taylor's approximations and then the obtained differential equation was solved by the Runge-Kutta method of fourth order. Overall, all the simulations were carried out through MATLAB. تركز هذه الأطروحة على الروبوتات المرنة و على وجه الخصوص تلك التي يتم تشغيلها بواسطة الاسلاك وسلسلة الروبوت (CBHA). أولاً ، قمنا بتطوير طريقة جديدة تسمح بتبسيط النموذج الحركي المباشر (FKM) للروبوت المرن المستمر ذي الانحناء المتغير. يكمن هذا التبسيط في إنشاء علاقة بين زوايا الانحناء لجميع الوحدات في نفس القسم بدلالة زاوية الانحناء للوحدة الأولى التي تنتمي إلى نفس القسم. الهدف هو تقليل عدد درجات حرية الروبوت. فيما يتعلق بالنموذج الحركي العكسي (IKM) للروبوت المتصل متعدد الأقسام هو في الحقيقة معقد وهذا يؤكده عدم وجود حل تحليلي في البحوث السابقة. لحل هذا هذه المشكلة ، لجأنا إلى طرق مستوحاة من سلوك الحيوانات لحله. تعتمد مساهمتنا بشكل خاص على استخدام ومقارنة طرق PSO و GA و ABC لإعطاء جانب تطبيقي لهذا العمل تم اقتراح تصميم روبوت مرن من قسمين مع كل حسابات الأبعاد. تم انهاء هذه الأطروحة باقتراح نموذج ديناميكي أولي للروبوت المتصل ذي الانحناء المتغير والذي يمكن استخدامه للتحسينات المستقبلية. يعتمد إنشاء هذا النموذج الديناميكي على معادلات تايلور. من أجل اشتقاق لاغرانج من النموذج الديناميكي ، استخدمنا تقديرات تايلور ومن ثم تم حل المعادلة التفاضلية التي تم الحصول عليها بطريقة رونج-كوتا من الدرجة الرابعة.. بشكل عام ، تم تنفيذ جميع عمليات المحاكاة من خلال MATLAB.
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    Numerical simulation of the turbulent combustion of low calorific value fuels applied to the combustion chambers of gas turbines
    (Université de Larbi Ben M’hidi-Oum Oum El Bouaghi, 2022) Benbouaziz, Oussama; Mameri, Abdelbaki; Hadef, Amar
    Moderate or Intense Low–oxygen Diluted (MILD) combustion is a promising technology with important properties such as zero-emission and high efficiency. The biogas-syngas mixture is also considered as a promising new renewable biofuel with low emissions. The objective of this work is to examine the effects of several parameters on the flame structure and emissions of biogas-syngas fuel under MILD conditions in JHC (Jet in Hot Co flow) burner. The modified standard k-ε model is adopted for turbulence modeling and the Eddy Dissipation Concept (EDC) model is used with three detailed reaction mechanisms, namely: GRI-Mech 3.0, GRI-Mech 2.11, and DRM 2.11. Effects of biogas-syngas composition, temperature, and oxygen concentration in the hot coflow and Reynolds number of the fuel jet have been elucidated. Results show that flame structure is more sensitive to the increase of hydrogen in syngas than that of methane in biogas. An increase of temperature and oxygen concentration in the coflow stream leads to more NO formation whereas Reynolds number augmentation reduced them. Furthermore, NO species production is globally governed by NNH route. MILD est une technologie prometteuse avec des propriétés importantes telles que zéro émission et un rendement élevé. Le mélange biogaz-gaz de synthèse est également considéré comme un nouveau biocarburant renouvelable prometteur à faibles émissions. L'objectif de ce travail est d'examiner les effets de plusieurs paramètres sur la structure de la flamme et les émissions de combustible biogaz-syngaz dans des conditions MILD dans un brûleur JHC (Jet in Hot Co flow). Le modèle k-ε standard modifié est adopté pour la modélisation de la turbulence et le modèle Eddy Dissipation Concept (EDC) est utilisé avec trois mécanismes de réaction détaillés, à savoir : GRI-Mech 3.0, GRI-Mech 2.11 et DRM 2.11. Les effets de la composition du biogaz-gaz de synthèse, de la température et de la concentration en oxygène dans le co-flux chaud et le nombre de Reynolds du jet de carburant ont été élucidés. Les résultats montrent que la structure de la flamme est plus sensible à l'augmentation de l'hydrogène dans le gaz de synthèse que celle du méthane dans le biogaz. Une augmentation de la température et de la concentration en oxygène dans le flux de co-courant conduit à plus de formation de NO alors que l'augmentation du nombre de Reynolds les réduit. De plus, la production d'espèces NO est globalement régie par la voie NNH. يعد الاحتراق المخفف بالأكسجين المنخفض (المعتدل أو المكثف) تقنية واعدة بخصائص مهمة مثل الانبعاث الصفري والكفاءة العالية. يعتبر خليط الغاز الحيوي والغاز التخليقي أيضًا وقودًا حيويًا متجددًا جديدًا واعدًا مع انبعاثات منخفضة. الهدف من هذا العمل هو فحص تأثيرات العديد من المعلمات على هيكل اللهب وانبعاثات وقود الغاز الحيوي في ظل ظروف MILD في موقد JHC (تدفق الغاز الساخن). تم اعتماد نموذج k-ε القياسي المعدل لنمذجة الاضطراب ويستخدم نموذج Eddy Dissipation Concept (EDC) مع ثلاث آليات تفاعل مفصلة، وهي: GRI-Mech 3.0 و GRI-Mech 2.11 و DRM 2.11. تم توضيح تأثيرات تكوين الغاز الحيوي، ودرجة الحرارة وتركيز الأكسجين الهواء الساخن وعدد رينولدز في التدفق الخارجي لغرفة الاحتراق. أظهرت النتائج أن هيكل اللهب أكثر حساسية لزيادة الهيدروجين في الغاز التخليقي من الميثان في الغاز الحيوي. تؤدي زيادة درجة الحرارة وتركيز الأكسجين في تيار التدفق المشترك إلى المزيد من تكوين أكسيد النيتروجين بينما تؤدي زيادة عدد رينولدز إلى تقليلها. علاوة على ذلك، يخضع إنتاج NO لمسار NNH.
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    Contribution à l'étude de la convection forcée autour des tubes munis des différents types d'ailettes
    (Université De Larbi Ben M’hidi Oum EL Bouaghi, 2022) Djeffal, Fares; Bordja, Lyes
    Ce travail a été consacré à l'étude des transferts de chaleur conjugués dans les échangeurs de chaleur de tubes à ailettes circulaires et ondulés. Des calculs numériques en 3D ont été réalisés à l'aide de la méthode RANS basée sur le modèle de turbulence du logiciel Ansys Fluent. L'objectif est d'évaluer l'effet du rapport d'axe et de la planéité des tubes à ailettes circulaires et de la longueur d'onde et/ou de l'amplitude des ailettes ondulées, sur les caractéristiques thermo-hydrauliques pour deux et trois rangées de tubes décalées. Premièrement, l'influence de ces paramètres sur le transfert de chaleur et la physique de l'écoulement turbulent près des ailettes et derrière les tubes est présentée et discutée. Les résultats obtenus ont été comparés et validés avec d'autres résultats expérimentaux disponibles. L'échange thermique augmente mais les pertes de charge diminuent avec l'ellipticité et la planéité des tubes. ? tous les nombres de Reynolds, les ailettes ondulées avec les faibles valeurs d'amplitude et de nombre d'ondes ont atteint les valeurs les plus élevées du critère de performance global. This work was devoted to the study of conjugate heat transfers in circular and wavy finned-tube heat exchangers. 3D numerical simulations have been performed using RANS based turbulence model of the software Ansys Fluent. The objective is to assess the effect of axis ratio and flatness of annular-finned tubes, and wavelength and/or amplitude of wavy fins, on thermal-flow characteristics for two and three-row staggered banks. At first, the influence of these parameters on heat transfer and turbulent flow physics near the fins and behind the tubes is presented and discussed. The numerical findings has been validated by comparison the obtained results with other available experimental results. The heat exchange increase but the pressure losses decrease according to the axis ratio and the flatness of tubes. At all Re values, the wavy fins with the lowest values of amplitude and number of waves reached the highest values of the global performance criterion. خصص هذا العمل لدراسة نقل الحرارة المزدوج في المبادلات الحرارية ذات الأنابيب مع زعانف دائرية و متموجة. تم إجراء الحسابات الرقمية ثلاثية الأبعاد باستخدام نموذج تدفق الهواء المضطرب لبرنامج Ansys Fluent. الهدف هو تحديد تأثير بيضاوية واستواء الأنابيب بزعانف دائرية وتأثير الطول الموجي و / أو سعة الزعانف المموجة ، على الخصائص الحرارية و الهيدروليكية لصفين وثلاثة صفوف من الأنابيب بترتيب متداخل. أولاً تم عرض ومناقشة تأثير هذه الأبعاد على نقل الحرارة وفيزياء التدفق بالقرب من الزعانف وخلف الأنابيب. تمت مقارنة النتائج التي تم الحصول عليها والتحقق من صحتها مع النتائج التجريبية الأخرى المتاحة. يزداد التبادل الحراري و ينقص انخفاضالضغط مع زيادة الإهليلجية واستواء الأنابيب. في جميع أرقام رينولدز، حققت الزعانف المتموجة ذات السعة و طول الموجة المنخفضتين أعلى القيم لمعيار الفعالية العام.
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    Numerical study of the combustion of low calorific values (LCV) gaz mixtures
    (Université de Larbi Ben M’hidi-Oum Oum El Bouaghi, 2022) Boussetla, Salsabil; Mameri, Abdelbaki; Hadef, Amar
    The present study is designed to prevent pollution and to improve emission control technologies, it aims to reduce combustion pollutants especially CO2 and NOx. The CO2 can be avoided by using a biofuel that is neutral in terms of CO2 emission. Whereas, the NOx emissions can be reduced by decreasing the combustion temperature. This is can be granted by the flameless combustion regime. In this study, the effect of fuel mixture composition, oxygen concentration in oxidizer, injection velocity or strain rate, oxidizer temperature and pressure on the flame structure and emissions of the non-premixed MILD "Moderate or Intense Low-oxygen Dilution" combustion of the biogas-syngas mixture are simulated. NO emission from MILD combustion is deeply elucidated, five NO routes were considered, specifically: thermal, prompt, NNH, N2O and reburning. Biogas is modeled by a mixture of methane and carbon dioxide; while, syngas is considered to be composed by hydrogen and carbon monoxide, this gives a fuel mixture of CH4/CO2/H2/CO. Volume of methane and hydrogen are varied alternatively from 0% to 50% in fuel mixture. Oxidizer is composed by O2/N2 mixture where oxygen volume is increased from 4% to 21%. Injection strain rate is varied from apparition to vanishment of combustion. Injection temperature for oxidizer is varied from 900 K to 1500 K while for fuel is kept constant temperature of fuel equal to 300K. Finally, the ambient pressure varies from 1atm to 10 atm. Chemical kinetics of such complicated system is handled by a composed mechanism from the USC C1-C4 and the Gri 2.11 N-sub mechanism. The Chemkin software is used to achieve the computations. La présente étude a pour but de lutter contre la pollution et d’améliorer les technologies de contrôle des émissions, elle vise à minimiser les émissions nocives issues de la combustion ; particulièrement le CO2 et les NOx. Le CO2 peut être évité en utilisant un biofuel qui est neutre en termes de CO2. Quant aux NOx peut être réduit en réduisant la température de la combustion, cela est garanti par le régime de combustion sans flammes. Dans cette étude, l'effet de la composition du mélange combustible, de la concentration d’oxygène dans le comburant, de la vitesse d'injection ou du taux d’étirement, de la température d’injection de l’oxydant et de la pression sur la structure de la flamme et les émissions de la combustion non-prémélangée dans le régime MILD "Moderate or Intense Low-oxygen Dilution" du mélange biogaz-syngaz sont simulés. Les émissions d'oxydes d'azote de la combustion MILD sont profondément élucidées, cinq voies de formation de NO ont été considérées, en particulier : thermique, précoce, NNH, N2O et reburning. Le biogaz est composé de méthane et de dioxyde de carbone ; alors que le syngaz est composé de monoxyde de carbone et de l’hydrogène, cela donne un mélange de combustible de CH4/CO2/H2/CO. Les volumes de méthane et d'hydrogène varient alternativement de 0% à 50 % dans le mélange combustible. L'oxydant est composé d'un mélange O2/N2 où le volume d'oxygène est varié de 4% à 21 %. Le taux d’étirement est de l'apparition à la disparition de la combustion. La température d’injection de l’oxydant est variée de 900 K à 1500 K, celle de fuel est gardée constante et égale à 300K. Finalement, la pression ambiante varie de 1 atm à 10 atm. La cinétique chimique de ce système compliqué est décrite par un mécanisme composé de l'USC C1-C4 et du mécanisme Gri 2.11 N-sub. Le logiciel Chemkin est utilisé pour réaliser les calculs.
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    Contribution to structural dynamic modeling of multiphysics bodies
    (University of Oum El Bouaghi, 2023) Laiche, Atif; Boulahia, Allaoua
    In space vehicle structure design, the purpose on reducing weight is to minimize the gap of frequency concept between flight mechanics motion and structural vibration. Therefore, aircrafts are becoming more and more flexible. This necessitates the use of a flight mechanics model using aeroelasticity theory. The development try of this model is the main subject of this research. The aim of this last is eventually to be employed in disturbances and manoeuvre load prediction in the beginning conception phase. This in order to avoid unstable flight conditions, moreover, the flight mechanics model may be also used to design active load alleviation systems to decrease loads on the wing structure. Various approaches and contributions were involved in the model of aeroelastic flight mechanics of which one can cite Modal approach in a linear time-invariant state-space system for Aeroelasticity, Summation of Forces (with multibody system dynamics) for Load Prediction in aerodynamics and Conventional Serial Staggered Partitioned approach for Fluid-Structure interaction. The totality of themultibody system dynamics model is designed on the basis of user input, so, it may be incorporated into a framework for design optimization.This gives us the ability to do various supplemental analyses. Finally, several conclusions are reached. The response of static and dynamic behavior is checked, so it's likely that it can be applied to other classical, low aspect-ratio aircraft operating in the subsonic flying range. Dans la conception de structures de véhicules spatiaux, le but de la réduction du poids est de minimiser l'écart de concept de fréquence entre le mouvement de la mécanique de vol et la vibration structurelle. Par conséquent, les avions deviennent de plus en plus flexibles. Cela nécessite l'utilisation d'un modèle de mécanique de vol qui inclut l'aéroélasticité. Le développement d'un tel modèle est l'objet de cette recherche. Le but final est de l'utiliser pour la prédiction des charges de perturbations et de manœuvres au début de la phase de conception. Cela permettrait d'éviter des conditions de vol instables. De plus, le modèle de mécanique de vol peut également être utilisé pour concevoir des systèmes d'atténuation de charge actifs afin de réduire les charges sur la structure de l'aile. Différentes approches et contributions ont été utilisées dans le modèle de mécanique de vol aéroélastique, notamment l'approche modale dans un système d'état-espace linéaire invariant dans le temps pour l'aéroélasticité, la sommation des forces (avec la dynamique du système à corps multiples) pour la prédiction de charge en aérodynamique et l'approche conventionnelle de partitionnement en série échelonnée pour l'interaction fluide-structure. La totalité du modèle de dynamique des systèmes à corps multiples est conçue sur la base de l'entrée de l'utilisateur, de sorte qu'elle peut être incluse dans un cadre d'optimisation de la conception. Cela nous donne la capacité de réaliser diverses analyses supplémentaires. Enfin, plusieurs conclusions sont tirées. La réponse du comportement statique et dynamique est vérifiée, il est donc probable que cela puisse être appliqué à d'autres avions classiques à faible aspect ratio opérant dans la plage de vol subsonique. يهدف التقليل من الوزن في تصميم هيكل مركبة الفضاء إلى تقليل الفجوة في مفهوم التردد بين حركة ميكانيكا الطيران والاهتزاز الهيكلي. لذلك، تصبح الطائرات أكثر مرونة. هذا يتطلب استدعاء نموذج لميكانيكا الطيران يتضمن الأيروإيلاستيكية. تطوير مثل هذا النموذج هو موضوع هذه الدراسة. الهدف النهائي هو استخدامه في توقع الأحمال و الاضطرابات الهوائية في مرحلة التصميم الأولى من أجل تجنب ظروف الطيران غير المستقرة. علاوة على ذلك، يمكن استخدام نموذج ميكانيكا الطيران أيضًا في تصميم أنظمة تخفيف الأحمال النشطة لتقليل الأحمال على هيكل الجناح. شملت النماذج المختلفة والمساهمات في نموذج ميكانيكا الطيران الأيروإيلاستيكية، منها النهج النمطي في نظام الحالة الخطي الثابت الزمن للأيروإيلاستيكية، وجمع القوى (مع ديناميكا نظام الجسم المتعدد) لتوقع الحمل في الديناميكا الهوائية، والنهج التسلسلي المتدرج التقليدي للتفريق بين السوائل والهيكل. يتم تصميم نموذج ديناميكا نظام الجسم المتعدد على أساس إدخال المستخدم، لذلك يمكن إدراجه في إطار تحسين التصميم، مما يمنحنا القدرة على إجراء تحليلات إضافية متنوعة. وأخيرًا، تم التوصل إلى عدة استنتاجات. تم التحقق من استجابة السلوك الثابت والديناميكي، لذلك من المحتمل أن يمكن تطبيقه على طائرات أخرى ذات نسبة جانبية منخفضة تعمل في نطاق الطيران دون الصوتي.