identifier: Dubé, O. (2013). Dynamique particulaire dans des lits fixes et rotatifs  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux particulaires sont couramment employés dans une grande variété d'industries (pharmaceutique, alimentaire, céramique, polymère, chimique, métallurgique, traitement des déchets, etc.) où ils sont soumis à un large éventail d'opérations unitaires (p.ex. mélange, réduction de taille, séchage, réaction chimique). Les écoulements particulaires peuvent être regroupés selon trois régimes: quasi-statique, dense ou rapide. Les régimes quasi-statiques et rapides sont ceux qui ont été le plus souvent étudiés. L'étude des écoulements particulaires denses est plus complexe étant donné que ce régime regroupe une grande variété d'écoulements où la contribution relative des contraintes dues à la friction et aux collisions à l'écoulement est inconnue. Cette thèse propose donc de caractériser les écoulements denses en lits fixes et rotatifs.  Les lits particulaires fixes sont utilisés lors de procédés catalytiques hétérogènes et pour la purification de gaz. Bien qu'il s'agisse de lits fixes, plusieurs événements font en sorte que les particules peuvent se déplacer. L'écoulement en lit fixe de particules sphériques pouvant survenir lors de la pré-purification de l'air réalisée dans un réacteur à flux radial (RFR) à l'aide d'un procédé d'adsorption par oscillations thermiques (TSA) est étudié. Ce type de procédé a été sélectionné étant donné sa grande popularité industrielle. Les parois soutenant le lit fixe peuvent se contracter et/ou se dilater suite aux importantes différences de température entre les différentes phases d'opération du procédé TSA. Ces mouvements de parois sont susceptibles d'endommager les particules du lit fixe, entraîner la création de vides locaux, provoquer la ségrégation de particules ainsi que mélanger les adsorbants. Tout cela peut évidemment avoir des conséquences sur l'uniformité de l'écoulement du gaz à travers le lit fixe ainsi que sur le rendement et l'efficacité du procédé. Il est donc nécessaire d'évaluer l'effet d'une contraction et d'une expansion thermique cyclique des murs d'un RFR utilisé pour la pré-purification de gaz  sur un lit particulaire fixe. À cette fin, la méthode des éléments discrets (DEM) a été employée puisque les techniques de mesure expérimentale perturbatrices ou non-perturbatrices ne sont pas facilement applicables à l'étude de ce genre d'écoulement. Les cylindres rotatifs, aussi appelés fours rotatifs, sont couramment utilisés dans une grande variété de procédés industriels étant donné leur grande simplicité d'opération, leur efficacité adéquate de transfert de masse et de chaleur ainsi que leur capacité à traiter des matières premières hétérogènes. La compréhension fondamentale des phénomènes qui se produisent à l'intérieur de cylindres rotatifs est essentielle pour concevoir et opérer de manière optimale ce genre d'équipement. De très nombreuses études ont tenté d'élucider les mystères de l'écoulement granulaire à l'intérieur de cylindres rotatifs. Cependant, la grande majorité d'entre elles se sont limitées au cas de particules sphériques. Pourtant, comme il a été mentionné, un des avantages des cylindres rotatifs est de pouvoir  traiter une matière première ayant une large distribution de taille et/ou de forme. Il s'avère donc nécessaire de caractériser la dynamique de particules non-sphériques à l'intérieur d'un cylindre rotatif. Dans ce cas-ci, une approche expérimentale a été employée puisque les méthodes de simulations numériques comme la DEM ne sont pas parfaitement adaptés pour étudier la dynamique de particules non-sphériques. La technique de suivi de particules radioactives (RPT) est, à cet égard, appropriée pour effectuer cette étude. Dans le cadre de cette thèse, des comprimés pharmaceutiques sont choisis pour représenter les particules non-sphériques. Cependant, leur utilisation comme traceur pour la RPT implique que la source d'émission de rayons gamma n'est pas ponctuelle. De ce fait, une plus grande incertitude quant à la reconstruction de la position du traceur est attendue. Par conséquent, il est nécessaire de développer une stratégie d'optimisation permettant d'identifier  un positionnement optimal des détecteurs à scintillation pour la technique de suivi de particules radioactives pour ainsi minimiser l'erreur commise par à l'utilisation d'une source non-ponctuelle. La première partie de cette thèse présente l'évaluation de l'effet, sur un lit particulaire fixe, d'une contraction et d'une expansion thermique cyclique des murs d'un RFR utilisé pour la pré-purification de gaz à l'aide de la DEM. Il s'agit de la première étude réalisée sur ce genre d'écoulement. La précision du modèle DEM construit a été évaluée en utilisant les valeurs expérimentales de porosité d'un lit fixe, les valeurs analytiques de pression prédites par la théorie de Janssen ainsi que les valeurs expérimentales de pression mesurée aux parois du lit fixe d'une unité commerciale de pré-purification de l'air. L'utilisation de la DEM dans le cadre de cette étude a permis d'évaluer la dispersion particulaire pouvant survenir à l'interface des adsorbants composant le lit fixe. Cette mesure peut permettre d'évaluer la qualité du lit fixe après plusieurs années d'utilisation. Il est important de noter que le modèle DEM développé ne considère pas l'effet du gaz circulant à travers le lit fixe de même que les changements au niveau des propriétés particulaires pouvant survenir en cours de cycle. Néanmoins, les résultats obtenus avec le modèle montrent que la DEM est un outil utile pour l'étude de ce type de dynamique lente, à condition qu'une calibration minutieuse ait été préalablement réalisée. La seconde partie de cette thèse présente la stratégie d'optimisation développée pour identifier un positionnement optimal des détecteurs à scintillation. Celle-ci utilise une méthode de recherche directe à maillage adaptatif (MADS) comme algorithme d'optimisation ainsi que la résolution des détecteurs comme fonction-objectif. La validation et l'application de cette stratégie a permis de démontrer que celle-ci permet l'identification d'une configuration optimale des détecteurs qui est propre à l'objectif de l'étude ainsi qu'aux conditions expérimentales. Elle peut donc facilement être appliquée à d'autres types d'études que celle réalisée dans le cadre de cette thèse.  Finalement, la troisième partie de cette thèse présente la caractérisation de la dynamique de particules non-sphériques à l'intérieur d'un cylindre rotatif. Les données recueillies ainsi que les observations réalisées en laboratoire permettent de supposer que les particules non-sphériques s'écoulent selon une orientation préférentielle. Cette dernière semble être une des raisons pouvant expliquer les différences observées entre certaines particules non-sphériques et les particules sphériques. Le mélange et la ségrégation à l'intérieur d'un cylindre rotatif de particules de formes similaires mais de tailles différentes ainsi que de masses similaires mais de formes différentes a aussi été étudiés. Une ségrégation radiale traditionnelle, où les particules petites ou denses se retrouvent au centre de l'écoulement alors que les grosses et légères se retrouvent en périphérie, a été observée dans la plupart des cas. Une ségrégation radiale inverse a toutefois été observée dans le cas où de grosses particules longues et plates étaient mélangées à de petites particules denses. Dans ce cas-ci, les petites particules denses se sont retrouvées en périphérie de l'écoulement plutôt que dans le centre. Les résultats obtenus ont permis pour la première fois de mettre en évidence l'effet que peut avoir la forme de la particule sur la dynamique, le mélange et la ségrégation de celle-ci.  ABSTRACT: Particulate materials (also referred as granular materials) are widely used in a great variety of industries (pharmaceutical, food processing, ceramic, polymer, chemical, metallurgical, waste treatment) where they are subjected to a wide range of operations (e.g. mixing, size reduction, drying, chemical reaction). Granular flow can be grouped into three regimes: quasi-static, dense or fast. The quasi-static and rapid granular flows have been studied the most. The study of dense granular flows is more complex since this regime includes a broad range of flows where the relative contribution of frictional and collisional stresses is unknown. Hence, this thesis proposes to characterize the dense granular flows occurring in fixed and rotating beds.   Fixed beds are mostly used in heterogeneous catalytic processes or for gas purification. Even though they are considered fixed, several factors can induce particles motion. The flow of spherical particles that could occur during air pre-purification using a thermal swing adsorption (TSA) process in a radial flow reactor (RFR) is studied. This type of process was selected due to its wide industrial use.  When a RFR is used in conjunction with a thermal swing regeneration step, the reactor mechanical components (e.g. reactor vessel) contract and expand because of substantial temperature differences between the different operating phases. The axial and/or radial relative motions between the vessel walls and the bed of adsorbents can damage the adsorbents bed by breaking the particles, creating voids, inducing particle settling and promoting mixing of layered adsorbents. All of this will inevitably affect flow uniformity as well as process efficiency. It is thus needed to study the effect of this cyclic expansion and contraction of the RFR vessels on the fixed bed. The discrete element method was used to conduct this investigation as most experimental measurement techniques, whether they are invasive or non-invasive, are either not readily applicable or extremely costly to implement in this situation.  Rotating drums, also referred as rotary kiln, are widely used to process granular materials in a great variety of industries due to their adequate mixing and heat transfer efficiency as well as their ability to handle heterogeneous feedstock. Understanding the phenomena occurring inside rotating drums at a fundamental level is essential for optimal design and operation of this equipment. A considerable amount of experimental work has been performed in order to elucidate the behavior of granular flow inside a rotating drum. However, a majority of these investigations have involved spherical or nearly spherical particles. Yet, as was previously mentioned, one advantage of rotating drums is their ability to handle varied feedstocks, i.e. granular material having a wide distribution of size, density, shape, roughness or else. It is therefore necessary to characterize the dynamics of non-spherical particles inside a rotating drum. In this case, an experimental approach was used since the numerical methods like the DEM are not well suited for studying dynamics of non-spherical particles. The radioactive particle tracking (RPT) technique is appropriate to carry out this investigation. In the context of this thesis, pharmaceutical tablets were used to represent non-spherical particles. However, the use of a large pharmaceutical tablet as a tracer particle in the RPT technique implies that the source of the gamma rays emission is no longer a point source. Therefore, a greater uncertainty in the reconstruction of the tracer particle trajectory is expected. Hence, it is needed to develop an optimization strategy to find an optimal set of positions for the scintillation detectors used in the RPT technique in order to minimize the error introduced by the use of a non-point source.  The first part of this thesis presents an evaluation of the effect, on a bed of adsorbents, of a cyclic thermal expansion and contraction of the vessels of a RFR used for gas pre-purification using the DEM. This is the first reported study of granular flow of this kind. The accuracy of the DEM-based model was assessed using experimental values of bed porosity, analytical values of predicted wall pressure based on Janssen's theory, and experimental values of wall pressure measured during the operation of a full-scale unit. In this study, the use of DEM simulations enabled the computation of a dispersion coefficient at the interface of the adsorbents. This dispersion coefficient could be used to assess the fixed bed quality after several years of use. It must be noted that the DEM-based model developed does not consider the effect of the circulating gas and the changes in particle properties likely to occur in the course of a cycle. Nevertheless, the results obtained with the proposed model show that the DEM is a valuable tool for the investigation of such slow dynamical processes, provided a careful calibration is done The second part of this thesis presents the optimization strategy developed to determine an optimal set of scintillation detector positions and orientations. This strategy uses a mesh adaptive direct search (MADS) optimization algorithm and the detectors resolution as an objective function. The results of this work showed that the optimal positioning found by the optimization strategy is sensitive to both the objectives of the study and the experimental conditions. It can therefore be easily applied to studies different from the one conducted in this thesis.  Finally, the third part of this thesis presents the characterization of the dynamics of non-spherical particles in a rotating drum. The data collected and the observations made in the laboratory showed that non-spherical particles tend to flow with a preferred spatial orientation. This preferred spatial orientation can be one of the reasons that could explain the differences observed between the flow of spherical and non-spherical particles. Mixing and segregation of bi-disperse mixtures of mono-shaped tablets and bi-disperse mixtures of bi-shaped tablets were also investigated. A traditional core segregation pattern, where the smaller/denser particles are found in the center of the bed while the larger/lighter particles are found on the outside, was observed in most cases. However, a reverse core segregation pattern was observed when long and large particles were mixed with small compact particles. In this case, the smaller/denser particles were found on the outside of the bed instead of in the center. The results obtained with this investigation are of interest in that they highlight for the first time the effect that the shape of a particle may have on flow dynamics as well as on mixing and segregation inside a rotating drum.


identifier: Ouellette-Vachon, M. (2013). Méthodes de diagnostic d'erreurs d'analyse syntaxique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Dans les applications de reconnaissance vocale, l'ensemble des phrases qu'une grammaire reconnaît a un impact important sur l'expérience utilisateur. Pour une interaction donnée, le but est d'avoir une grammaire couvrant un grand nombre de cas de figure sans être trop générale au point d'inclure des formes qui devraient être rejetées. Dans cette optique, le développement d'outils automatiques pouvant améliorer une grammaire est d'une grande utilité. Mais pour y parvenir, il faut d'abord diagnostiquer les raisons pour lesquelles une phrase n'a pu être reconnue. Avec cet objectif en tête, nous nous sommes mis en quête d'algorithmes d'analyse syntaxique robuste. Actuellement, on peut distinguer trois grandes familles d'algorithmes, selon le contexte utilisé pour la correction : local, régional ou global. De par leur nature, les algorithmes de correction globale offrent de meilleurs diagnostics, car ils analysent toutes les hypothèses d'erreur possible. Cependant, ceci a un coût en termes de temps de calcul. Dans le cadre de ce projet, nous avons cherché à savoir si les algorithmes offrant une correction locale peuvent rivaliser avec les algorithmes qui effectuent une correction régionale ou globale au niveau de la qualité des corrections. Nous avons évalué trois algorithmes : l'algorithme de Lyon, qui effectue une correction globale, l'algorithme d'Anderson-Backhouse, qui effectue une correction locale, et finalement un algorithme que nous avons développé, qui pourrait être classé parmi la famille des algorithmes de correction régionale. Ce dernier est un hybride entre l'algorithme de Lyon et l'algorithme d'Earley. À l'aide d'une méthodologie bien précise, nous avons confirmé que l'algorithme de correction globale effectue les meilleures corrections, mais avec une différence moyenne de seulement 3.96 %.  L'algorithme de correction locale est cependant environ 2 et 4 fois plus rapide respectivement que l'algorithme hybride et l'algorithme de correction globale. À la lumière de ces résultats, nous avons conclu que l'algorithme effectuant une correction locale peut avantageusement se comparer à l'algorithme de correction globale, mais en étant nettement plus rapide. Cette conclusion s'inscrit dans le contexte de notre l'application, elle y est donc peut-être limitée. Grâce à la bonne performance de l'algorithme de correction locale, nous envisageons de l'utiliser dans le cadre de travaux futurs. Nous prévoyons tirer profit de sa vitesse afin d'analyser un ensemble relativement grand de phrases et d'inférer les meilleures améliorations à apporter à la grammaire d'une manière totalement automatique.  ABSTRACT: In speech recognition applications, the set of sentences recognized by a grammar has a significant impact on the user experience. For a given interaction, the goal is to have a grammar covering a large number of scenarios without being general to the point of accepting forms that should be rejected. In this context, the development of automatic tools that can improve grammar coverage is utterly important. But to achieve this, we must first diagnose why a sentence hasn't been recognized. With this goal in mind, we set out to find robust parsing algorithms. Currently, there are three main families of algorithms, depending on the context used for the correction: local, regional or global. By their nature, the global correction algorithms provide better diagnoses because they analyze all possible error hypotheses. However, this has a cost in terms of time elapsed for an analysis. In this project, we investigated whether the local correction algorithms can compete with algorithms that perform a regional or global correction on the quality of the corrections. We evaluated three algorithms: Lyon's algorithm, which performs a global correction of errors, Anderson-Backhouse's algorithm, which performs a local correction of errors and a hybrid algorithm. The third one is a mix between Lyon's algorithm and a classic parsing algorithm that we have developed. It could be ranked among the family of regional correction algorithms. Using a strict methodology, we confirm that the global correction algorithm performs the best, but with a mean difference of only 3.96%. However, the local correction algorithm is respectively about 2 and 4 times faster than the hybrid algorithm and the global correction algorithm. In light of these results, we concluded that the algorithm performing local correction of errors may advantageously be compared to the algorithm doing global correction of errors but is much faster. This conclusion is in the context of our application, it could therefore be limited to it. Thanks to the good corrections offered by the local correction algorithm, we plan to use them in future work. We expect to use its speed to analyze a relatively large set of sentences and infer the best improvements that could be applied to the grammar in a full automatic manner.


identifier: Gagnon, O. (2013). Indexation de documents Web à l'aide d'ontologies  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le Web n'existe que depuis moins de vingt ans. Pourtant, sa portée mondiale lui permet d'être la principale source d'information pour des besoins variés, allant de la recherche scientifique à la recherche d'un bon restaurant vietnamien. Les moteurs de recherche tels Yahoo, Bing et Google raffinent sans cesse leurs algorithmes afin de fournir les meilleurs résultats pour chaque requête des utilisateurs.  La plupart des moteurs de recherche se basent sur des algorithmes d'indexation basés sur la présence ou non de mots-clés correspondant à la requête de l'utilisateur. Le présent mémoire présente différentes expériences pour l'indexation de documents Web à l'aide d'ontologies, des graphes orientés constitués d'entités et de relations propres au domaine du Web Sémantique. Ce mémoire présente ensuite une expérience visant à comparer la qualité des résultats aux requêtes d'information à celle d'une technique d'indexation classique.  Ce mémoire se conclut avec les résultats de l'expérience ainsi que des perspectives d'amélioration pour l'indexation par ontologies.  ABSTRACT: The Web has existed for less than twenty years. Yet, it can be considered as one of the most important sources of information for the most varied of subjects, ranging from scientific research to the location of Vietnamese restaurants. Search engines such as Yahoo, Bing and Google improve regularly their algorithms in order to produce the best results for every possible query made by its users.   Most popular search engines use indexing algorithms based on the presence (or not) of keywords corresponding to the query. This master's thesis presents the experiences that have been made around the world for indexing Web documents with ontologies, which are directed graphs linking entities with relations that are widely used in the domain of Semantic Web. This document then presents an experience that attempts to demonstrate that an ontology-based indexing brings higher quality search results over a classic keyword-based indexing.  This master's thesis concludes with the results of the experience and potential improvements for ontology-based indexing.


identifier: Naceur, R. (2013). Modèles linéaires pour la représentation et l'évaluation des compétences  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les environnements d'apprentissage reposent sur la modélisation et l'évaluation des compétences des étudiants. Une évaluation équitable et rapide de la connaissance de l'utilisateur de ces environnements permet d'adapter son contenu didactique et de le guider à travers la matière pertinente en indiquant celle qui est déjà maîtrisée et celle dont les pré-requis ne sont pas atteints. Cette évaluation est basée sur la prédiction de la performance des étudiants à partir de leurs réponses à un ensemble des questions. Un diagnostic des compétences de l'étudiant précis vise à le situer par rapport aux différents sujets et aux attentes et de lui donner les recommandations nécessaires pour qu'il puisse se rattraper. Afin de réaliser ce diagnostic, il est nécessaire d'établir l'alignement entre les questions et les compétences requises afin d'y répondre correctement. En général la modélisation des compétences des étudiants est faite en se basant sur des modèles non linéaires comme les réseaux bayésiens ou sur le modèle de théorie de réponse aux items (IRT). Dans notre recherche, nous visons étudier les modèles linéaires et pour ce faire nous avons choisi le modèle conjonctif et le modèle compensatoire, nous les avons comparés avec celui de IRT. La comparaison est faite avec le modèle IRT et basée sur la validité de prédiction. Nous avons utilisé également différents jeux de données. Les simulations montrent que le modèle IRT donne toujours les meilleurs résultats, par contre nous avons constaté que les algorithmes hybrides que nous avons proposés (Algorithmes~5 et 6) ont donné de bons résultats. D'autre part, l'algorithme~5, qui est une combinaison entre les données générées avec IRT et les données d'entrainement, a donné sous certaines conditions des résultats meilleurs ou semblables à ceux de IRT. Les autres algorithmes ont donné des résultats acceptables avec les deux modèles conjonctif et compensatoire. Le modèle conjonctif a donné des résultats meilleurs que ceux du modèle compensatoire sous certaines conditions.  ABSTRACT: Learning environments are based on the modeling and assessment of student's skills. This assessment relies on the prediction of the performance of students based on their responses to a set of questions. A diagnostic of student‘s skills opts to give the results of the knowledge of skills based on their responses, and recommendations improve his skills. To make this diagnostic, it is necessary to establish the alignment between questions and skills in order to respond appropriately. Generally modeling skills of students is done using non-linear models such as Bayesian network. However, regarding the linear models, most of the research based on the model response theory questions (IRT). In our research, we aimed to study the linear models and for that reason we choose the conjunctive model and the compensatory model, we also compared them with the IRT. The comparison is based on the predictive validity. Hence we have proposed some algorithms in order to investigate the predictive validity of our models. We also used different data sets for more precision in terms of analysis and conclusion. The simulations showed that the IRT model remains the one that gives the best results. We found that against the proposed hybrid algorithms (Algorithms 5 and 6) give good results. We found that the proposed hybrid algorithm, which is a combination of data generated with IRT and training data has been given under certain conditions better results or almost equal to those of IRT. The other algorithms have given acceptable results with both models conjunctive and compensatory. In the other side and despite its complexity, the conjunctive model gave significantly better results than compensatory model under certain conditions.


identifier: Ramos Leanos, O. (2013). Wideband Line/Cable Models for Real-Time and Off-Line Simulations of Electromagnetic Transients  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RESUMÉ Cette thèse présente le développement d'un modèle mathématique pour les lignes et câbles de transmission de puissance. Ce modèle est utilisé pour la simulation des transitoires électromagnétiques en temps réel et en temps différé. La contribution est particulièrement utile à la simulation en temps réel car ce type de modèle n'existait pas avant. Le modèle permet d'améliorer la vitesse des calculs et contribue aussi à la recherche sur la stabilité numérique. Le modèle proposé est basé sur le modèle WideBand (WB) aussi appelé “Universal line model (ULM)”. Il permet de prendre en compte la dépendance en fréquence des paramètres de ligne et câble. Le modèle ULM est donc reformulé et restructuré dans cette thèse pour répondre aux exigences strictes des simulations en temps réel. La structure du nouveau modèle facilite la séparation des réseaux en sous-blocs qui peuvent être simulés en parallèle par un ensemble de processeurs. Une caractéristique de l'ULM qui a été préservée dans le nouveau modèle, est la représentation rationnelle des matrices d'admittance caractéristique et de fonction de propagation. Ces matrices sont obtenues directement dans le domaine des phases en utilisant les méthodes “Vector Fitting“ (VF) ou mieux “Weighted Vector Fitting” (WVF). Une question nécessitant une considération particulière, est la manipulation des variables d'état complexes produits par les pôles complexes lors de l'utilisation de WVF. L'approche standard pour répondre à cette question est l'approche directe consistant à traiter tous les états internes comme complexes. Dans le cas des états réels, les parties imaginaires sont simplement nulles. Dans le cas des états complexes, les parties imaginaires doivent s'annuler entre elles car les pôles complexes et les états complexes se produisent en paires conjuguées. Clairement, cette approche standard applique un grand nombre d'opérations triviales et redondantes et inefficace. L'alternative proposée dans cette thèse est la manipulation de toutes les variables d'état en arithmétique réelle. Pour ce faire, deux méthodologies sont développées, implémentées et testées dans cette thèse. La méthode 1 consiste à éliminer un des états de chacune des paires conjuguées, puisqu'il est démontré dans cette thèse que les deux états transmettent la même information. Chacun des états complexes restants est ensuite traité comme une paire d'états réels mutuellement couplés. En faisant cela la performance numérique du modèle est augmentée de presque quatre fois.  ABSTRACT: The development of a mathematical model for the electromagnetic simulation of power transmission lines and cables is described in this thesis along with its hardware and software implementation. This model is intended for real-time and accelerated-time simulation of electromagnetic transients (EMTs) occurring in power-supply networks. The developed model fills an existing gap in real-time simulation practice and, in comparison with those ones currently available to power-system analysts; it represents a substantial improvement in terms of stability and of computational-efficiency.The proposed line model is based on the Wide Band (WB) or Universal Line Model (ULM) which, because of its accuracy and generality, is widely adopted as the referent. These two features of the ULM follow from its ability to account completely and effectively for all the frequency-dependent effects of line parameters. Nevertheless, the original ULM has been reformulated and restructured here to meet the stringent requirements for real-time simulations. The structure of the new model facilitates the partition of large networks in sub-blocks that can be simulated in parallel on a multiprocessor cluster. One feature of the ULM that is preserved in the new model is the rational representation of the characteristic admittance and the propagation function matrices, both obtained directly in the phase domain by using the Vector Fitting (VF) or the Weighted Vector Fitting (WVF) software utilities. One issue requiring special consideration is the handling of the complex state variables produced by complex poles that often arise when using VF or WVF. The standard approach to this is the direct one consisting in the treating of all internal states as complex. In the case of real states, the imaginary parts simply are zeros. In the case of complex states, the imaginary parts must cancel each other since complex poles and complex states occur in conjugate pairs. Clearly, form the computational standpoint this standard approach reports a large number of trivial and redundant operations and thus, from the computational standpoint, it is deemed here as highly inefficient. The alternative proposed in this thesis is the handling of all state variables in real Arithmetic. Two methods for doing this are developed, implemented and tested in this thesis.


identifier: Jiang, Y. (2013). Numerical and Experimental Seismic Assessment and Retrofit of Steel Tension-Only Double Angle Braced Frames Designed Before the Implementation of Detailing Provisions for Ductile Seismic Response  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Canada, une proportion importante des bâtiments en acier de faible hauteur ont été conçus et construits avant l'introduction, en 1989, des normes de conception parasismique dans la norme pour la conception des structures en acier. Il est donc probable que l'évaluation de ces structures sur la base des codes en vigueur, révèle des déficiences quant à leur capacité de résister adéquatement aux effets des tremblements de terre. Il est donc nécessaire de développer des méthodes efficaces et facilement applicables pour l'évaluation et la réhabilitation sismiques de ces structures de bâtiments. Dans cette étude, on se concentre sur l'évaluation et la réhabilitation sismique des contrenventements en acier de type tension-seulement, construits avec des diagonales faites de deux cornières assemblées entre elles, qui ont été largement utilisés au Canada pour la résistance aux charge latérales dans les bâtiments de faible hauteur. Ces structures sont encore populaires aujourd'hui. Un bâtiment prototype de 4 étages de hauteur avec contenvetements en tension-seulement a été conçu conformément aux codes et critères en vigueur au début des années 1980. La structure est localisée sur un sol ferme à Vancouver, Colombie-Britannique. Les diagonales des contreventements sont formées de cornières assemblées dos-à-dos avec des assemblages boulonnés aux extrémités. L'évaluation de l'un des contreventements a été effectué conformément au Code national du bâtiment du Canada 2010 et à la norme CSA S16-09 pour les structures en acier. Les résultats montrent que certaines des diagonales de contreventement, que tous les assemblages des diagonales de contreventement et que certains des poteaux avaient une résistance insuffisante. Cette déficience était plus marquée pour les assemblages des diagonales compte tenu qu'un calcul par capacité visant à établir un ordonnancement de la plastification et un comportement ductile des diagonales n'avait pas été considéré pour leur conception. Compte tenu de ce constat et de la ductilité limitée associée aux modes de rupture dans les assemblages, on s'est concentré dans ce projet sur l'évaluation du comportement sismique des assemblages des diagonales et au développement et à la validation de méthodes de réhabilitation permettant d'éviter la rupture fragile des assemblages et l'effondrement des structures pouvant en découler.  ABSTRACT: In Canada, a large portion of low-rise steel buildings were designed and built before the implementation of the first provision of seismic design and detailing introduced in steel structure design standard in 1989. It is therefore likely that an assessment of these structures based on current seismic design requirements reveals the deficiencies that may affect the ability of these structures to properly withstand earthquake effects. Hence, an efficient and convenient method to seismically assess and retrofit these buildings is necessary. This study focuses on the seismic assessment and retrofit of steel tension-only braced frames built with double angle braces, a seismic force resisting system (SFRS) that has been extensively used for low-rise building structures. The system is still popular today. In this study, a 4-storey prototype steel building structure with tension-only braced frame was designed according to the design regulations applicable in the early 1980's. The structure was assumed to be located on a firm ground site in Vancouver, British Columbia. The bracing members were back-to-back double angle sections with bolted end connections. Seismic assessment of one braced frame was performed using the current design requirements and design equations of the National Building Code of Canada 2010 and the CSA S16-09 steel design standard. It was found that some of the bracing members, all bracing member connections and some of the columns had insufficient seismic resistance. The lack of resistance was more significant for the brace connections as no capacity design provisions was applied in the design to ensure hierarchy of yielding and ductile brace response. In view of this situation and the limited ductility typically associated to connection failure, the study then focused on the evaluation of the seismic response of the deficient connections and the development and validation of retrofit strategies to avoid brittle connection failure and building structural collapse.


identifier: Adegbindin, M. M. A. (2013). Un algorithme constructif efficace pour le problème de coloration de graphe  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de coloration de graphe consiste à assigner à chaque sommet une couleur de sorte que deux sommets adjacents n'aient pas la même couleur tout en utilisant le nombre minimal de couleur. C'est l'un des problèmes les plus étudiés en optimisation combinatoire en raison de ses multiples applications (la planification des horaires, l'allocation des ressources, etc.) et de la complexité de sa résolution. De nombreuses méthodes de résolutions ont été proposées pour résoudre le problème de coloration de graphe. Elles peuvent être réparties en trois catégories : les méthodes exactes dont le temps de calcul croît exponentiellement avec le nombre de sommets du graphe, les méthodes constructives qui donnent rapidement une approximation de la solution optimale du problème, et les métaheuristiques qui fournissent de meilleurs résultats mais au prix d'algorithmes plus complexes et plus gourmands en temps de calcul. Dans le présent mémoire, nous avons conçu un algorithme constructif d'ordre polynomial qui colore le graphe, une couleur à la fois, en priorisant les voisins des voisins des nœuds déjà colorés. Les résultats des tests effectués sur les graphes classiques du banc d'essai démontrent l'efficacité de l'algorithme proposé qui, pour un temps raisonnable, donne des résultats similaires que TABUCOL, la métaheuristique la plus connue.  ABSTRACT: The Vertex Coloring Problem (VCP) requires to assign a color to each vertex in such a way that colors on adjacent vertices are different and the number of colors used is minimized. Due to its numerous practical applications (scheduling, resource allocation, etc.) and computational complexity, the VCP is one of the most studied problems in combinatorial optimization. Several methods have been proposed to solve the VCP. They can be classified in three families: exact approaches whose running time increases exponentially with the size of the graph, greedy algorithms which approximate the optimal solution in a short time and metaheuristic methods which are the best performing algorithms, but are more complex and time consuming. In this work, we design a polynomial incremental algorithm which colors the graph, one class at a time by favouring the neighbours of neighbours of already colored vertices. Computational results on the set of DIMACS benchmark instances demonstrate the efficiency of the proposed algorithm which gives the same results as the popular metaheuristic TABUCOL in reasonable running time.


identifier: Plaisant, A. (2013). Analyse numérique du comportement sismique d'un barrage en enrochement avec un noyau en béton bitumineux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis un demi-siècle, un nouveau type de barrage est développé. Sa nouveauté réside en l'utilisation d'un noyau en béton bitumineux (d'une largeur d'environ 1 m) supporté par un matériau granulaire compacté, puis de l'enrochement, au lieu d'utiliser un matériau imperméable classique tel que l'argile. On compte 90 barrages de ce type, que l'on appelle barrage en enrochement avec un noyau en noyau bitumineux (en anglais « asphalt core rockfill dam », donc ACRD), qui sont déjà en opération et 45 qui sont actuellement en train d'être conçus ou construits. Le mince noyau en béton bitumineux est complètement imperméable, flexible et capable de refermer des fissures qui surviendraient, jusqu'à une certaine limite, donnant, de manière globale, au barrage un comportement satisfaisant durant sa construction, pendant le remplissage du réservoir et durant un tremblement de terre. De plus, le noyau en béton bitumineux permet de continuer les opérations de construction même durant de mauvaises conditions climatiques telles que la pluie, mais aussi de construire un barrage à des endroits où le matériau imperméable se trouve dans des quantités, ou en qualités, insuffisantes. La plus part des ACRD se trouvent en Europe et en Chine où ils sont populaires. Seulement un de ces barrages a été construit en Amérique du Sud et deux en Amérique du Nord. Le but principal de ce travail est de présenter l'évaluation du comportement sismique d'un ACRD représentatif basée sur l'analyse numérique dynamique en utilisant un modèle hyperbolique basé sur le modèle Duncan et Chang (1970) pour modéliser le comportement des matériaux granulaires et l'enrochement, et en prenant en compte l'amortissement hystérétique. Les analyses ont été réalisées à l'aide du logiciel PLAXIS 2D 2011.02 et prennent en considération les effets induits par le remplissage du réservoir. L'analyse sismique se base sur des tremblements de terre typiques et extrêmes des côtes est et ouest du continent nord-américain. Une attention particulière a été portée sur les déformations subies par le noyau. Les résultats de cette analyse ont été comparés aux résultats trouvés par la méthode pseudostatique et par la méthode des déplacements permanents.  ABSTRACT: Since half a century, a new kind of dam has been developed. This new type of dam uses a thin core asphalt concrete (about 1 m thick) instead of a traditional low-permeable material, such as clay, supported by compacted granular materials and then rockfill. These dams are called asphalt core rockfill dams (ACRD). There are currently 90 ACRD's in operation around the world and nearly 45 of these dams are being designed or are under construction. The thin asphalt concrete core is completely impermeable, flexible and capable of self-healing if fissured (to a certain degree). Thanks to these characteristics, the general comportment of an ACRD during its construction, reservoir filling and seismic loading is quite satisfactory. In addition, it allows for the construction of the dam under poor climatic conditions, such as rain, and in an area where the quality or the quantity of impervious materials are limited. Most of ACRDs can be found in Europe and in China. There is only one ACRD in South America and two in North America. The main goal of this study it is to evaluate the seismic performance of a representative ACRD by means of dynamic numerical analysis using a hyperbolic stress-strain model based on Duncan and Chang (1970) for simulate the granular and rockfill materials and takes into consideration hysteretic damping and shear modulus reduction during the dynamic analysis. The analysis was conducted using PLAXIS 2011.02 2D and considered the effect of reservoir filling and dynamic loading based on typical and extreme earthquakes on the east and west coasts of North America. Special attention was given to the deformation of the asphaltic core. This analysis was compared to the results of traditional seismic analysis as the pseudostatic method and the permanent displacements method.


identifier: Isik, D. (2013). Solution Processable Semiconductor Thin Films: Correlation Between Morphological, Structural, Optical and Charge Transport Properties  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse de doctorat est le résultat d'un travail de recherche multidisciplinaire réunissant divers concepts fondamentaux comme l'ingénierie et la caractérisation des couches minces, l'électrochimie ainsi que la physique des dispositifs à base de couches minces semiconductrices. L'objet des expériences menées lors du travail de thèse porte sur les couches minces semiconductrices et leurs interfaces avec des matériaux électroniques ou des couches diélectriques. Le but ultime de la thèse est de mettre en corrélation la morphologie, la structure cristalline et la structure électronique des couches minces, ainsi que leurs propriétés fonctionnelles, avec le fonctionnement des dispositifs électroniques de type transistors utilisant ces mêmes couches minces en tant que matériau actif. En outre, de nouvelles stratégies fondées sur des phénomènes ayant lieu aux interfaces électrolyte/couche mince semiconductrice ont été explorées afin de contrôler la conductivité électrique au sein des couches minces. Trois principaux systèmes chimiques ont fait l'objet d'études approfondies durant cette thèse: deux types de semiconducteurs organiques (oligomère et polymères dérivés d'azométhinethiophènes et dérivés solubles de pentacène) et un semi-conducteur métal-oxyde (le trioxyde de tungstène, WO3). Dans le but d'explorer les propriétés morphologiques de couches minces à base de semiconducteurs organiques, les microscopies à force atomique et à fluorescence en mode hyperspectrale ont été employées. Grâce aux observations réalisées par ces techniques, des hypothèses de corrélation ont été formulées entre les caractéristiques morphologiques et les propriétés de transport des porteurs de charges au sein des couches minces. La diffraction par rayons X en configuration glancing angle (GIXRD, utilisant de la lumière de synchrotron) a été utilisée pour examiner la structure cristalline des couches mais aussi pour en apprendre plus sur l'organisation moléculaire au sein de ces dernières. Pour les transistors en couches minces, une configuration de type bottom contact a été choisie. Les caractéristiques de transfert et de sortie ont été utilisées pour calculer la mobilité des porteurs de charges, le voltage de seuil du dispositif ainsi que le ratio ION/IOFF.  ABSTRACT: This Ph.D. thesis is a result of multidisciplinary research bringing together fundamental concepts in thin film engineering, materials science, materials processing and characterization, electrochemistry, microfabrication, and device physics. Experiments were conducted by tackling scientific problems in the field of thin films and interfaces, with the aim to correlate the morphology, crystalline structure, electronic structure of thin films with the functional properties of the films and the performances of electronic devices based thereon. Furthermore, novel strategies based on interfacial phenomena at electrolyte/thin film interfaces were explored and exploited to control the electrical conductivity of the thin films. Three main chemical systems were the object of the studies performed during this Ph.D., two types of organic semiconductors (azomethine-based oligomers and polymers and soluble pentacene derivatives) and one metal oxide semiconductor (tungsten trioxide, WO3). To explore the morphological properties of the thin films, atomic force microscopy was employed. The morphological properties were further investigated by hyperspectral fluorescence microscopy and tentatively correlated to the charge transport properties of the films. X-ray diffraction (Grazing incidence XRD, GIXRD) was used to investigate the crystallinity of the film and the effect of the heat treatment on such crystallinity, as well as to understand the molecular arrangement of the organic molecules in the thin film. The charge transport properties of the films were evaluated in thin film transistor configuration. For electrolyte gated thin film transistors, time dependent transient measurements were conducted, in parallel to more conventional transistor characterizations, to explore the specific effects played on the gating by the anion and cation constituting the electrolyte. The capacitances of the electrical double layers at the electrolyte/WO3 interface were obtained from electrochemical impedance spectroscopy. In the context of ARTICLE 1, thin film transistors based on soluble pentacene derivatives (prepared by the research group directed by Professor J. Anthony, at the University of Kentucky) were fabricated and characterized. GIXRD results performed on the thin films suggested a molecular arrangement favorable to charge transport in the source-drain direction, with the π-π


identifier: Narvaez, Y. B. (2013). Étude expérimentale de la résistance en traction de résidus miniers non saturés à l'aide d'essais de flexion  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La disposition des rejets générés par l'industrie minière est un enjeu important de notre société. Les activités minières produisent une variété de rejets tels les roches stériles et les résidus de concentrateur. Les résidus de mines en roche dure comportent un fort pourcentage de particules fines et sont généralement entreposés dans un état initialement saturé dans des parcs à résidus ceinturés de digues. Avec le temps, ces résidus se consolident et peuvent se désaturer en raison du drainage et de l'évaporation. Cela rend leur comportement plus complexe. Il est important d'avoir une bonne compréhension des interactions eau-solide affectant le comportement des résidus miniers non saturés afin de prédire leur réponse sur le terrain. En condition non saturée, une pression d'eau négative se développe dans les résidus. Cette pression d'eau négative (succion) engendre des forces de capillarité et d'adhésion qui contribuent à créer une cohésion entre les grains. Cette cohésion dite apparente n'est pas une propriété intrinsèque du matériau, mais elle varie en fonction de la quantité d'eau dans les pores. Cette cohésion peut être liée à la résistance à la traction et elle a un effet majeur sur le comportement mécanique des résidus. Ce projet de recherche porte sur l'évaluation de la résistance à la traction des résidus miniers non saturés. De nombreuses études de ce type ont été réalisées sur des matériaux argileux ou des matériaux cimentés. Cependant, l'intérêt porté aux sols pulvérulents (tels les résidus miniers) est plus rare dans la littérature. Ce projet vise à développer les connaissances sur le comportement en traction des résidus non saturés et sur les caractéristiques associées (i.e. cohésion apparente et module de rigidité).  ABSTRACT: The responsible disposal of mining wastes is a challenge that needs to be addressed. Mining operations produce a variety of waste materials such as waste rocks and tailings. Tailings, which contain a high percentage of fine particles, are generally stored in an initially saturated state, in tailing impoundments surrounded by dikes. Over time, such tailings tend to consolidate, and may become unsaturated due to drainage and evaporation, which makes their behavior more complex. It is important to understand the behavior of unsaturated tailings in order to predict their response in the field. Unsaturated tailings (as well as soils) as submitted to a negative water pressure (suction). This negative pressure creates capillary forces that contribute to the cohesion between particles. This apparent cohesion is not an inherent (intrinsic) property of the material as it varies with the amount of pore water and the related degree of saturation. The apparent cohesion is correlated to the tensile strength and it has a significant impact on the mechanical behavior of unsaturated materials such as mine tailings. This project focused on the evaluation of the tensile strength of unsaturated mine tailings. Several studies on this subject have been carried out on clayey soils and cemented materials, but granular (cohesionless) materials such as tailings from hard rock mines have not received much attention. Thus, this research aimed at developing a better understanding of the tensile behavior and associated properties (i.e. apparent cohesion and modulus of elasticity) of unsaturated tailings.


identifier: Guillemot, M. H. (2013). Conception d'un logiciel de contrôle pour la plate-forme de prototypage waferboard TM  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évolution des domaines de l'électronique donne naissance à des circuits toujours plus complexes. Les phases de conception et de prototypage représentent une partie importante du coût de développement des produits. Le projet DreamWafer porte sur le prototypage rapide de systèmes électroniques. Il tente de proposer une nouvelle approche au prototypage et à la vérification fonctionnelle de systèmes électroniques, ce qui réduit ainsi leurs coûts de développement et les temps d'arrivé sur le marché. La plateforme s'appuie sur un circuit intégré à l'échelle de la tranche de silicium pour proposer l'équivalent d'un PCB reconfigurable. Une mer de contacts assure la connexion avec les composants déposés par l'usager sur la tranche de silicium et un réseau d'interconnexions configurables permet d'obtenir des routes équivalentes aux pistes de cuivre entre les billes des composants. L'objectif général du projet de recherche présenté ici consiste à concevoir le logiciel nécessaire au support d'une telle plateforme. Le projet comprend l'élaboration d'une architecture générale favorisant l'intégration des ressources techniques existantes (comme les algorithmes de routage), la conception d'une architecture évolutive simplifiant les accès au matériel, et la réalisation d'un système d'affichage adapté à la complexité d'une telle plateforme. Cette conception doit se faire dans un environnement technique bipolaire (électronique et logiciel) connaissant un renouvellement important des personnes intervenant dans le projet. L'architecture développée au cours de ces travaux est conçue pour prendre en charge les contraintes liées au pilotage de la plateforme électronique et de les isoler pour simplifier l'intégration matériel-logiciel et les développements à venir. Ce travail à fait l'objet d'un chapitre soumis pour le livre « Novel Advances in Microsystems Technologies and their Applications ». À cette architecture s'ajoute une contribution technique publiée à la conférence CCECE 2013 (Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering) dont l'objectif est de permettre l'affichage rapide du grand volume de données requis pour la représentation d'une telle plateforme.  ABSTRACT: Electronic system design methods are in constant evolution with access to technologies enabling the creation of increasingly complex circuits. The design and prototyping phases of today's systems represent a significant part of the overall cost of many products. The DreamWafer project attempts to propose a new approach to the rapid prototyping of Printed Circuit Board, reducing costs and delays. The platform is based on a wafer-scale silicon integrated circuit that works as a reconfigurable PCB. A sea of contacts on its top surface provides the connections with the user components deposited on it and a configurable interconnection network is used to create routes as in a traditional PCB. We present the software written to support this platform. The project includes the development of general software architecture, the design of a scalable model simplifying access to equipment and the construction of a display system able to handle the dataset for such a platform. The architecture developed in this work is designed to handle the constraints related to the hardware while assisting the integration of functional modules. This work was the subject of a chapter submitted for the book « Advances in Novel Microsystems Technologies and their Applications ». In addition to this, an efficient new mechanism for the rapid display of large amounts of data representing the system is proposed. This technical contribution is going to be published in CCECE 2013 conference (Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering). Software resulting from this work is currently being used for demonstration and must serve as a validation tool for the hardware.


identifier: Kar, G. C. (2013). Charge Pumps for Implantable Microstimulators in Low and High-Voltage Technologies  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de cette thèse est de concevoir et mettre en œuvre une pompe de charge qui peut produire suffisamment de tension afin de l'implémenter à un système de prothèse visuelle, conçue par le laboratoire PolyStim neurotechnologies. Il a été constaté que l'une des parties les plus consommatrices d'énergie de l'ensemble du système de prothèse visuelle est la pompe de charge. En raison de la nature variable du tissu nerveux et de l'interface d'électrode, la tension nécessaire par stimuler le tissu nerveux est très élevé et consomme extrêmement d'énergie. En outre, afin de fournir du courant biphasique  aux électrodes il faut produire des tensions positives et négatives. La génération de tension négative est très difficile, surtout dans les technologies à faible tension compte tenu des limites de la technologie. Le premier objectif du projet est de générer la haute tension nécessaire qui va consommer une faible puissance statique. La technologie de haute tension a été utilisée dans le but d'atteindre cet objectif. Le deuxième objectif est de générer la tension requise dans la technologie de basse tension et ainsi surmonter les limites de la technologie. Dans les deux cas, une attention particulière a été portée afin que personne ne latch-up apparaît pour le cycle négatif. L'architecture de la conception proposée a été présentée dans cette thèse. La pompe de charge a été conçu et mis en oeuvre à la fois dans la technologie CMOS 0,8 μm offert par TELEDYNE DALSA et technologie 0,13 μm CMOS offert par IBM. En raison de la tension requise, 0,8 μm technologie a été utilisée pour atteindre la sortie et conçu pour minimiser la consommation de puissance statique. La même architecture a été mise en oeuvre en technologie 0,13 μm pour enquêter sur la tension de sortie obtenue avec une faible consommation électrique. Les deux puces ont été testées en laboratoire PolyStim. Les résultats testés ont montré une variation moyenne très faible de déviation inférieure à 5% par rapport au résultat de simulation. Pour la conception en 0,8 µm, nous avons été en mesure d'obtenir plus de 25 V avec une consommation électrique très faible d'énergie statique de 3,846 mW et une charge d'entraînement maximum de 2 mA avec un maximum d'efficacité de 84,2%. Pour le même processus en 0,13 µm, les resultats ont été plus que 20V, 0,913 mW, 500 µA, et 85,2% respectivement.  ABSTRACT: The main objective of the thesis is to design and implement a charge pump that can produce enough voltage required to be implemented to the visual prosthesis system, designed by the PolyStim Neurotechnologies laboratory. It has been found that one of the most power consuming parts of the whole visual prosthesis system is the charge pump. Due to the variable nature of the nerve tissue and electrode interface, the required voltage of stimulating the nerve tissue is very high and thus extremely power consuming. Also, in order to provide biphasic current to the electrodes, there is a requirement of generating both positive and negative voltages. Generating negative voltage is very hard especially in low voltage technologies considering the technology limitations. The first objective of the project is to generate required high voltage that will consume low static power. High voltage technology has been used to achieve the goal. The second objective is to generate the required voltage in low voltage technology overcoming the technology limitations. In both cases, special care has been taken so that no latch-up occurs for the negative cycle. Architecture of the proposed design has been presented in this thesis. The charge pump has been designed and implemented in both 0.8 µm CMOS technology offered by TELEDYNE DALSA and 0.13 µm CMOS technology offered by IBM. Because of the required voltage, 0.8 µm technology has been used to achieve the output and designed to minimize the static power consumption. The same architecture has been implemented in 0.13 µm technology to investigate the achievable output voltage with low power consumption. Both the chips have been tested in polyStim laboratory. The tested results have shown very low variation of less than 5% average deflection from the simulation output. For the design in 0.8 µm, we have been able to get more than 25 V output with very low static power consumption of 3.846 mW and maximum drive load of 2 mA with maximum efficiency of 84.2%. For the same design in 0.13 µm, the outputs were more than 20V, 0.913 mW, 500 µA, and 85.2% respectively.


identifier: Lalande, J. (2013). Détermination de l'impact du pentachlorophénol sur la diversité bactérienne dans les sols à partir de la technique de l'électrophorèse sur gel en gradient dénaturant  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les communautés microbiennes dans les sols sont parmi les plus diversifiées sur Terre. Ce faisant, les microorganismes du sol assurent en majeure partie plusieurs fonctions des sols tels que le cycle des nutriments et la détoxification des écosystèmes terrestres. En affectant cette diversité, la contamination des milieux naturels constitue un risque important pouvant réduire la capacité des écosystèmes à résister et récupérer aux différentes perturbations qu'ils doivent subir. La diversité des écosystèmes naturels est donc une richesse à préserver. Effectivement, il a été montré que les écosystèmes plus diversifiés étaient plus résistants et résilients aux perturbations naturelles et anthropiques. Depuis le début de l'ère industrielle, la diversité des écosystèmes naturels est en constant déclin à cause, notamment, de la contamination des sols, de l'air et des cours d'eau. Afin de prédire l'effet d'une substance sur une communauté biologique et ainsi contrôler ou limiter son utilisation, il est nécessaire de produire de l'information toxicologique sur une large gamme d'organismes. Les données écotoxiques représentatives des différentes espèces testées seront colligées et utilisées afin d'estimer l'effet d'un contaminant sur toute une communauté. Lorsque le centre d'intérêt est une communauté biologique évoluant en milieu terrestre, force est de constater que la disponibilité de ces indicateurs est très problématique. Les communautés microbiennes des sols sont nécessaires au bon fonctionnement, à long terme, des écosystèmes terrestres. Or, ces dernières sont virtuellement absentes des bases de données écotoxiques. L'absence de données pour ce groupe très important n'est pas étrangère au fait que l'étude d'organismes aussi petits pose des difficultés techniques particulières. Ainsi, la majorité des publications s'étant intéressées à l'effet des contaminants sur les microorganismes du sol ont utilisé des indicateurs fonctionnels liés directement ou indirectement à ces organismes. Les indicateurs les plus utilisés sont les mesures de biomasse microbienne, d'activité microbienne et d'activité enzymatique. Bien que très utiles afin de déterminer l'état de santé d'un sol, ces indicateurs ont montré certaines limites importantes. Puisque les mesures fonctionnelles sont très intégratrices (toutes les espèces y participent), plusieurs auteurs ont noté que certains de ces indicateurs avaient le potentiel d'augmenter suite à une contamination. En fractionnant les communautés microbiennes en plusieurs sous-parties (les espèces), les indices de diversité, qui considèrent à la fois le nombre d'espèces présentes et l'abondance relative de chaque espèce, pourraient être beaucoup plus sensibles à une contamination que les indicateurs fonctionnels. Par contre, il est techniquement difficile d'estimer précisément la diversité des communautés microbiennes des sols. D'abord, les méthodes moléculaires utilisées afin d'étudier la diversité microbienne des sols ne permet pas de cibler simultanément tous les microorganismes du sol. Des trois sous-groupes composant les communautés microbiennes des sols (bactéries, archées et champignons), les bactéries sont les plus diversifiées et sont le plus souvent ciblées. Ensuite, il a été montré que les populaires techniques de profilage, qui ne donnent de l'information que sur les espèces les plus abondantes, sont incapables de produire des estimés de diversité corrélés à la diversité bactérienne réelle des sols. Les nouvelles technologies de séquençage d'ADN récemment arrivées sur le marché ont le potentiel de permettre l'étude quantitative de la diversité bactérienne des sols. Par contre, plusieurs auteurs ont montré que certaines difficultés techniques pourraient générer des distorsions dans les estimés de diversité produits par ces plateformes, bien que l'importance quantitative de ces distorsions n'ait jamais été clairement établie. Aussi, la disponibilité de ces appareils peut être problématique pour plusieurs chercheurs. Plusieurs limitations ont été identifiées afin d'estimer l'effet des contaminants dans les écosystèmes terrestres. L'information toxicologique pour les espèces terrestres est très limitée et ne concerne souvent que quelques espèces. Considérant qu'ils sont virtuellement absents des bases de données écotoxiques, la génération de données de toxicité spécifiques aux bactéries du sol constitue un moyen permettant de s'attaquer à cette problématique. Vu l'importance de ces communautés dans les écosystèmes, tant du point de vue de leur diversité que de celui de leur importance fonctionnelle, ces données constitueraient de l'information hautement pertinente afin de mieux comprendre l'effet des contaminants en milieux terrestres. Pour ce faire, une mesure de toxicité basée sur la diversité génétique des communautés bactériennes dans les sols présente plusieurs avantages par rapport aux indicateurs fonctionnels souvent utilisés par le passé. Par contre, l'utilisation de la diversité microbienne en tant qu'indicateur de toxicité présente également des difficultés, la plus importante étant la capacité des techniques actuelles à produire des estimés quantitatifs de diversité. Il a été évoqué qu'une technique de profilage très répandue, l'électrophorèse sur gel en gradient dénaturant (DGGE), pourrait posséder cette capacité. Donnant généralement de l'information uniquement sur les espèces les plus abondantes des communautés étudiées, il a été montré que cette technique pourrait également contenir de l'information sur leur richesse. Par contre, aucune approche n'a pour le moment été développée afin d'utiliser cette information. De plus, l'analyse des profils DGGE présente des difficultés particulières lorsque des communautés très diversifiées sont étudiées. Dès lors, il est difficile d'affirmer que l'information produite sur les espèces les plus abondantes des communautés est quantitativement représentative. Afin de développer une approche permettant d'utiliser toute l'information extraite des profils DGGE, le pentachlorophénol semble être une substance idéale. En effet, ce contaminant se retrouve fréquemment dans les écosystèmes naturels canadiens, possède des propriétés physico-chimiques susceptibles de faire varier sa toxicité en fonction de la composition du sol utilisé et a été testé sur plusieurs espèces terrestres différentes. De plus, son effet sur les microorganismes du sol a fait l'objet de quelques publications. Il sera intéressant de comparer la réponse et la sensibilité d'un indicateur basé sur la diversité bactérienne des sols à des mesures biochimiques. À cette fin, la mesure du potentiel d'activité hydrolytique de la fluorescéine diacétate, un essai simple produisant des résultats corrélés aux mesures de biomasse microbienne, semble être idéale. Effectivement, la biomasse microbienne s'est avérée être un indicateur sensible au pentachlorophénol dans quelques études différentes. Sur la base des limitations identifiées, les objectifs principaux de ce projet sont les suivants : 1. Proposer une approche analytique permettant d'extraire des profils DGGE de l'information quantitative sur la dominance et la richesse des communautés étudiées; 2. Développer, à partir de profils DGGE in silico, un modèle empirique permettant de produire des estimés de diversité corrélés à la diversité des communautés étudiées à partir de l'information extraite des profils DGGE; 3. Valider ce modèle sur des échantillons réels en comparant la diversité estimée à partir du DGGE à celle produite par une nouvelle technologie de séquençage d'ADN; 4. Quantifier l'effet du pentachlorophénol sur la diversité bactérienne des sols et comparer cette réponse à celle basée sur la mesure du potentiel d'activité hydrolytique de la fluorescéine diacétate des sols. Sur la base de ces objectifs, une approche analytique a été développée à partir de profils DGGE in silico à l'aide du logiciel Matlab. Contrairement aux logiciels d'analyse de gels commerciaux, qui soustraient le bruit de fond à l'aide d'une bille virtuelle roulant sous les profils DGGE, cette approche utilise un profil de bruit de fond défini manuellement par l'utilisateur. Le bruit de fond ainsi soustrait est utilisé afin de définir un nouveau paramètre, le ratio pic-sur-signal, qui contient l'information sur la richesse des communautés étudiées. Une fois le bruit de fond soustrait, l'information sur les espèces les plus abondantes de la communauté est générée à l'aide d'un algorithme d'optimisation facilitant l'analyse de profils complexes. À partir des informations extraites des gels DGGE (abondance relative des espèces les plus abondantes et richesse des communautés), un modèle empirique a été développé afin de produire des estimés de diversité quantitatifs à partir du DGGE. La distribution rang-abondance produite par l'analyse des bandes DGGE est premièrement multipliée par le ratio pic-sur signal extrait du profil. Par la suite, en utilisant un modèle d'abondance empirique, la distribution loi de puissance, un modèle d'élongation des distributions rang-abondance DGGE a été développé. Ce modèle a été paramétré en observant les distributions rang-abondance des communautés bactériennes in silico utilisées afin de construire les profils analysés. Puisque le paramétrage du modèle dépend du ratio pic-sur-signal de l'échantillon analysé, le processus d'élongation est propre à chaque échantillon. Afin de valider ce modèle d'élongation, les communautés bactériennes des mêmes échantillons de sol ont été étudiées à partir du DGGE et de l'Ion Torrent, une nouvelle technologie de séquençage. Deux sols de texture différente ont été utilisés afin de valider ce modèle. Chaque sol a été contaminé avec du pentachlorophénol, à trois concentrations différentes (en plus de l'échantillon non contaminé). Afin d'étudier l'effet écotoxique du pentachlorophénol sur la diversité bactérienne des sols, les deux sols mentionnés ci-haut ont été contaminés cette fois à sept concentrations différentes, en triplicata. En parallèle, l'activité hydrolytique de la fluorescéine diacétate a été mesurée dans tous les échantillons de sol. La diversité et l'activité hydrolytique de tous les échantillons ont été utilisées afin de produire des courbes concentration-réponse représentatives de l'effet du PCP sur les communautés bactériennes (diversité) ou, plus généralement, microbienne (activité de la fluorescéine diacétate). Aussi, en utilisant les données écotoxiques terrestres disponibles dans les bases de données pour le pentachlorophénol, une courbe de sensibilité des espèces a été tracée pour ce contaminant. Les indicateurs écotoxiques extraits des courbes concentration-réponse et de la courbe de sensibilité des espèces ont été comparés. En travaillant sur des profils DGGE in silico, il a été montré que la représentativité des résultats générés par les approches analytiques généralement employées pour analyser les gels DGGE et implémentées dans trois logiciels commerciaux variait d'un échantillon à l'autre. Au contraire, l'approche analytique développée dans le cadre de ce projet a permis d'extraire des profils DGGE des ratios pics-sur signal précis et de produire des patrons de dominance représentatifs des communautés étudiées. Il a été montré que ces patrons de dominance étaient très semblables à ceux générés par le groupement des séquences utilisées pour construire les profils DGGE si un pourcentage de similitude de 98% était utilisé. Le modèle d'élongation calibré à partir des distributions rang-abondance produites en groupant les séquences d'ADN avec un pourcentage de similitude de 98% a montré un très fort potentiel afin de permettre l'estimation de la diversité bactérienne à partir du DGGE. Ainsi, il a été possible d'estimer la diversité réelle des communautés étudiées avec une précision généralement supérieure à ± 5%. Une corrélation très significative existait entre les indices de diversité réels et ceux estimés à partir du DGGE (R2 > 0,99). En utilisant deux approches différentes afin d'étudier les mêmes communautés bactériennes, il a été possible d'identifier des distorsions dans les résultats de chacune des approches. Ainsi, il a été montré que le fait d'injecter une grande quantité d'ADN (~ 400 ng) dans les puits DGGE risquait de causer une saturation locale du gel. Cette saturation, qui survient dans les régions du gel où une grande quantité d'ADN migre, peut empêcher les bandes DGGE les plus brillantes d'atteindre leurs intensités maximales. Injecter moins d'ADN (~ 200 ng) a permis de régler les problèmes liés à la saturation des gels. La situation s'est avérée être plus complexe pour les résultats générés par l'Ion Torrent. Utilisée à la limite de ses capacités, la qualité des résultats de séquençage produits par cette plateforme fut problématique. Ainsi, des distorsions liées à la faible profondeur de séquençage atteinte et aux erreurs de séquençage furent identifiés. De plus, il a été qualitativement montré que le pourcentage GC des séquences risquait de causer des distorsions intra-échantillons dans l'abondance relative des espèces. Le fait de réduire l'influence de ces distorsions sur les estimés de diversité produits par chaque approche a permis l'obtention de corrélations significatives (R2 > 0,81) entre les deux séries de données. Lorsqu'utilisées à des fins comparatives, ces deux technologies peuvent donc mener à des résultats quantitativement similaires. Lors de la construction des courbes concentration-réponse à partir des indices de diversité mesurés pour les différents échantillons de sol, il a été possible de remarquer que les échantillons de sol les plus contaminés n'étaient pas les moins diversifiés. Cette observation peut s'expliquer de deux façons différentes. Le pentachlorophénol a pu avoir un effet toxique sur toutes les espèces bactériennes, empêchant ainsi l'apparition de bandes DGGE brillantes sur les profils et permettant par le fait même à certaines espèces d'être suffisamment abondante (proportionnellement) afin de produire une bande visible sur le gel. Alternativement, ou   parallèlement, il est possible que le temps d'incubation de 28 jours n'ait pas permis la dégradation de l'ADN des bactéries tuées par l'ajout de pentachlorophénol. Malgré ces observations, les indices de diversité se sont avérés être beaucoup plus sensibles (plus de 25 fois) au pentachlorophénol que les mesures d'activité hydrolytique de la fluorescéine diacétate. De plus, les courbes concentration-réponse tracées à l'aide des mesures de diversité se sont avérées très similaires à la courbe de sensibilité des espèces représentative du pentachlorophénol. Ainsi, cette thèse a permis le développement d'une méthodologie permettant de comparer la diversité de communautés bactériennes de différents sols à l'aide du DGGE, une approche très répandue qui n'avait préalablement pas cette capacité. De plus, il a été possible de montrer que les indices de diversité sont plus sensibles au pentachlorophénol que certains indicateurs fonctionnels, et que la réponse des communautés bactériennes face à une exposition au pentachlorophénol était très similaire à la réponse des communautés macroscopiques terrestres exposées à la même substance. Si ces observations peuvent être généralisées sur plus de contaminants, l'approche proposée dans cette thèse constituera un outil excessivement puissant afin de mieux comprendre l'effet des contaminants ou des mélanges complexes sur les communautés biotiques terrestres. Et si cette similitude est tout simplement fortuite, le cadre de travail présenté dans cette thèse sera tout de même en mesure de produire de l'information écotoxicologique sur les communautés bactériennes, archéennes et fongiques des sols, trois groupes absents des bases de données écotoxicologiques.  ABSTRACT: Soil microbial communities are among the most diversified on Earth and play key roles in many soil-mediated functions such as biogeochemical cycles and xenobiotics degradation. Affecting this diversity, soil contamination constitutes an important risk having the potential to reduce the capacity of terrestrial ecosystems to resist and recover from the many natural and anthropogenic perturbations that they must undergo. As many authors have shown, diversified ecosystems are more resistant and resilient to perturbations and diversity is an asset that must be preserved. However, since the beginning of the industrial era, soil, air and water contamination leads to a constant decrease in natural ecosystems' diversity. In order to protect ecosystems from diversity losses caused by xenobiotics, ecotoxicological information about many different species is required. This information on single species will be compiled and used to draw a species sensitivity distribution that allows estimating the effect of a contaminant on a whole ecosystem. For terrestrial ecosystems, data scarcity is a major limitation to the application of this framework. Although necessary to the long term functioning of terrestrial ecosystems, soil microbial communities are virtually absent from terrestrial ecotoxicological databases. A major reason for that is linked with the technical difficulties in studying such small organisms. Most of the publications that focused on the effect of xenobiotics to microbial communities measured functional parameters directly or indirectly linked to soil microorganisms, such as microbial biomass or activity and enzymes activity. Although highly informative of soil health, these indicators showed important limitations when used as toxicity indicators. Being very integrative, those measures often showed increases after soil contamination, especially if the tested contaminant is biodegradable. Fractionating microbial communities into smaller distinct parts – the species – ecological diversity indices that consider simultaneously the richness of the community (number of species) and the relative abundance of the different species could be more sensitive to xenobiotics than functional parameters. However, it is still technically difficult to accurately estimate the diversity of soil microbial communities. First of all, the molecular approaches used to study microbial diversity are not able to consider at once all the microorganisms (bacteria, archaea and fungi) composing these communities. As a consequence, bacterial communities – the most diversified of these subgroups – are selected by most of the authors. Then, it was shown that the widespread profiling methods – only able to yield quantitative information about the relative abundance of the most abundant species – are unable to produce diversity estimates correlated to the actual diversity of soil bacterial communities. The newer next-generation DNA sequencing technologies theoretically allow studying the diversity of bacterial communities with an unprecedented depth. However, many authors showed that diversity estimates produced from sequencing results may be biased to an unknown extent. Furthermore, sequencer availability may still be problematic for many researchers. Many limitations hampering the estimation of the effect of xenobiotics in terrestrial ecosystems have been identified. Terrestrial ecotoxicological data are scarce and do not concern enough different species. Being almost absent in the ecotoxicological databases, generating data about soil bacterial communities allows us to tackle this problem. Furthermore, considering their importance in terrestrial ecosystems, generating information about the effect of xenobiotics to these communities would be of high environmental relevance. To do so, ecological diversity indices present many advantages compared with functional indicators, but also many difficulties. Being able to accurately estimate the diversity of these very complex communities is, without a doubt, the major one. In one publication, it was shown that denaturing gradient gel electrophoresis (DGGE) – a widespread profiling method – is theoretically able to yield quantitative information on the relative abundance of the dominant species, but also on the richness of the studied communities. However, no framework has been developed in order to use this information. Furthermore, the analysis of complex DGGE migration profiles of soil bacterial communities presents many difficulties. It is therefore hard to say that the information extracted from the DGGE migration profiles can be used to quantitatively study bacterial community diversity. In order to develop a framework allowing quantifying the effect of xenobiotics on the diversity of soil bacterial communities, pentachlorophenol seems to be an ideal case study. This contaminant is ubiquitous in Canadian terrestrial ecosystems, possesses interesting physico-chemical properties potentially allowing this substance to exhibit different toxicities in different soil types and, most of all, was tested on many different terrestrial species. Furthermore, its effect on soil microorganisms was already studied by some authors. It will be interesting to compare the sensitivity of ecological diversity indices and functional measures to detect pentachlorophenol. To do so, the assay of fluorescein diacetate hydrolytic activity seems to be perfectly suited; it is a simple assay producing results well correlated with microbial biomass measures that were shown by some authors to be sensitive to pentachlorophenol contamination. On the basis of the above-mentioned limitations, the projects' main objectives are the following: 1. Develop an analytical approach allowing the extraction from DGGE migration profiles information on the relative abundance of the dominant species and on the richness of the studied communities; 2. Using in silico DGGE migration profiles, develop an empirical framework allowing the accurate estimation of the diversity of soil bacterial communities using the information extracted from the profiles; 3. Validate the framework on real samples by comparing the diversity estimates produced by DGGE and by a next-generation sequencing technology; 4. Quantify and compare the effect of pentachlorophenol on the diversity of soil bacterial communities and on the soils' fluorescein diacetate hydrolytic activity. Based on these objectives, an analytical approach was developed on in silico DGGE profiles using the software Matlab. Unlike commercial software programs that use a virtual rolling disk to subtract the DGGE profile background noise, this framework uses a background profile manually adjusted by the analyst. This background noise is used to define a new parameter, the peak-to-signal ratio that was proved to be related to community richness. Then, the information about the relative abundance of the dominant species is extracted using a semi-automated algorithm, thus facilitating the analysis of complex DGGE profiles. Using the information extracted from the profiles, an empirical framework allowing the accurate estimation of the diversity of soil bacterial communities was developed. The partial rank-abundance distributions produced by the DGGE bands quantification step are first of all normalized using the peak-to-signal ratios extracted from the profiles. Then, using the power law abundance model, an elongation model was parameterized using the complete rank-abundance distributions used to synthesize the in silico DGGE profiles. Because the model parameters depend on the peak-to-signal ratios, the elongation process is therefore sample specific. To further validate this elongation model, the diversity of the bacterial communities of eight different soil samples were studied using both DGGE profiling and Ion Torrent sequencing, a next-generation sequencing platform. Two differently textured soils were used, a loamy and a sandy soil. For each soil, four subsamples were prepared; one was kept clean and the three others were contaminated with different concentrations of pentachlorophenol. The ecotoxicological effects of pentachlorophenol on the diversity of soil bacterial communities was further studied using the two same soils. This time, seven different pentachlorophenol concentrations were used and all the samples were prepared in triplicate. The samples' fluorescein diacetate hydrolytic activity was also measured. Concentration-response modeling was conducted on the two types of indicators (diversity and activity). Furthermore, ecotoxicological databases were screened in order to find data on the toxicity of pentachlorophenol to terrestrial species. These data were used to draw a species sensitivity distribution – representative of the range of sensitivity of terrestrial species exposed to pentachlorophenol – that was compared with the above-mentioned concentration-response curves. Working on in silico DGGE profiles, it was shown that the representativeness of the results produced by commercial gel analysis software programs was sample-dependent. On the contrary, the Matlab-based framework presented in this thesis allowed the extraction of accurate peak-to-signal ratio values and the production of representative dominance profiles for all the analyzed samples. It was shown that these dominance profiles were very similar to those produced by DNA sequences clustering algorithms when using a similarity level of 98%. The elongation model calibrated with the sequencing datasets used to synthesize the in silico DGGE profiles showed great potential. Calibrated in order to reproduce the rank-abundance distributions generated by sequencing datasets clustering at 98% similarity, the framework allowed the estimation of the diversity of the studied communities with a precision generally higher than ± 5%. A very significant correlation was found between those DGGE-based diversity estimates and true diversity at a similarity level of 98% (R2 > 0.99). Using two different techniques to study the same bacterial communities allowed identifying biases in the results of both technologies. For DGGE, it was clearly shown that injecting too much DNA in the wells (~ 400 ng) could cause localized gel saturation, hampering the brightest peaks to reach their full intensity and thus underestimating the dominance of the communities. Injecting less DNA (~ 200 ng) was a simple remedy against this problem. The situation was much more complex for Ion Torrent sequencing. Used at the limit of its capacity, the quality of the dataset produced by this platform was low. As a consequence, biases linked with sampling depth and sequencing errors were identified. Furthermore, it was qualitatively shown that GC content considerations were susceptible to cause intra-sample distortions in the relative abundance of species. Furthermore, all these biases were sample-dependent. Reducing the quantitative importance of some biases allowed finding a significant correlation between the diversity estimates produced by DGGE and Ion Torrent sequencing (R2 > 0.81). For comparative diversity studies, these two approaches can therefore yield similar ecological conclusions. While constructing concentration-response curves from the ecological diversity indices, it was observed that the most contaminated soils were not the least diversified ones. Such a result could happen if the toxic effect of pentachlorophenol was so high that even the tolerant species were unable to grow, thus hampering the apparition of bright bands on the DGGE profile. At the same time, it is also possible that pentachlorophenol induced a high bacterial mortality and that the DNA of these organisms, released in the soil, was not degraded during the 28 day incubation period. Notwithstanding the above, ecological diversity indices proved to be at least 25 times more sensitive to pentachlorophenol than the soils' fluorescein diacetate hydrolysis activity, meaning that structural changes could happen before functional losses are observed. The most promising result was, without a doubt, a very good correspondence that was found between the diversity-based concentration-response curves and the species sensitivity distribution that was observed for pentachlorophenol. This thesis allowed developing a complete framework allowing the comparison of soil bacterial community diversity using DGGE, a widespread technique that was unable to do so before. Furthermore, it was shown that diversity-based indicators were more sensitive to pentachlorophenol than some integrative functional indicators and that the response of soil bacterial communities to pentachlorophenol was highly similar to the response of macroscopic terrestrial communities exposed to the same substance. If this similarity can be established for other contaminants or classes of contaminants, this methodology has the potential to help fill many gaps in terrestrial ecotoxicological databases and in the understanding of the effect of xenobiotics or complex mixtures on terrestrial ecosystems. And if these similarities are fortuitous, the framework can still provide relevant information about the toxicity of xenobiotics to organisms poorly represented in the ecotoxicological databases; soil bacterial, archeal and fungal communities.


identifier: E. Cabana, A. (2013). Modélisation numérique d'écoulements de particules cohésives par la méthode des éléments discrets  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les écoulements de particules solides, présents dans différents types d'applications industrielles, présentent un comportement complexe et difficile à analyser. Dans le cadre des travaux  effectués à l'unité de recherche sur les procédés d'écoulements industriels (URPEI), il a été constaté lors de certaines manipulations expérimentales dans un mélangeur rotatif qu'il est possible de contrôler la force cohésive présente entre des particules en enrobant ces dernières avec un certain type de polymère. En effet, il a été constaté que la force cohésive peut être augmentée soit par l'accroissement de l'épaisseur de polymère sur les particules, ou encore par l'augmentation de la température du lit de particules. Par ailleurs, une des manières permettant de mieux étudier les écoulements de particules solides est de procéder à des simulations informatiques, à l'aide de la méthode des éléments discrets (DEM). Cependant, le code informatique de l'URPEI, utilisant la DEM, ne permettait pas d'inclure de force cohésive entre les particules. L'objectif principal de ce projet était donc la modélisation numérique de l'écoulement de particules cohésives. Pour ce faire, des modèles de cohésion appropriés ont été sélectionnés pour la direction normale du contact, ainsi que pour la direction tangentielle. Le modèle JKR fut retenu pour la direction normale, ainsi que le modèle de Thornton pour la direction tangentielle. Ces deux modèles ont été introduits dans le code informatique de l'URPEI, développé en Fortran 90. Afin de s'assurer du bon fonctionnement du programme, onze tests de vérification ont été effectués. Ceux-ci, contenant une, deux ou cinq particules, ont permis de s'assurer de la validité des résultats obtenus pour des impacts dans la direction normale du contact. La force tangentielle n'a pas été considérée, car cela dépassait le cadre du projet. En outre, afin de procéder à des écoulements de particules cohésives et d'évaluer la précision les résultats, des tests d'angles de repos statiques et des tests d'écoulements dans un mélangeur rotatif ont été effectués. Dans un premier temps, il a été démontré que l'augmentation de la force cohésive entre les particules permet d'augmenter l'angle de repos, ce qui est en accord avec la littérature. Par ailleurs, concernant les tests d'écoulements dans le mélangeur rotatif, il a été démontré que l'accroissement de la force cohésive entre les particules permet la dilatation du lit de particules, due à l'augmentation de la porosité.  ABSTRACT: Granular flows are present in various types of industrial applications and exhibit complex behaviors that are complex and difficult to analyze. In the context of the work carried out at the Research Unit on Industrial Flows (URPEI), it was discovered with some experiments in a rotating mixer that it is possible to control the cohesive force between particles by coating the latter with a certain type of polymer. Indeed, it was found that the cohesive force can be increased either by increasing the thickness of the polymer, or by increasing the temperature of the particle bed. In addition, one of the ways to study granular flows is to perform computer simulations using the discrete element method (DEM). However, the computer code based on the DEM and available at URPEI did not include the possibility to add cohesive forces between particles. The main objective of this project was the numerical modeling of cohesive granular flows. To perform this task, appropriate cohesive models were selected for the normal direction of the contact, as well as for the tangential direction. The JKR model was used for the normal direction, and the Thornton model for the tangential direction. Both models were introduced in the computer code available at URPEI and developed in Fortran 90. To ensure the proper functioning of the program, eleven verification tests were performed. These tests, containing one, two or five particles have ensured the validity of the results obtained for impacts in the normal direction of the contact. In addition, in order to simulate cohesive granular flows and to validate the results, static repose angle tests were conducted as well as cohesive flows in a rotating mixer. First, it was shown that an increase of the cohesive force between particles increases the repose angle, which is in agreement with the literature. Also, for the simulations in the rotating mixer, it was shown that increasing the cohesive force between the particles allows the expansion of the particle bed due to the increase of porosity.


identifier: Quintana, H. (2013). A Practical Approach to Model Predictive Control (MPC)for Solar Communities  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux de chaleur solaire (SDH pour Solar District Heating) font partie des solutions pour réduire la consommation d'énergie et les émissions de Gaz à Effet de Serre (GES) dues aux besoins de chauffage. Ce type d'installation permet de profiter des effets d'économie d'échelle et des avantages d'avoir un système centralisé qui facilite l'intégration de l'énergie solaire pour réduire la dépendance aux carburants fossiles. Un système SDH est un concept éprouvé qui peut être complémenté avec l'ajout de stockage à long terme de l'énergie thermique pour compenser le décalage dans le temps entre l'offre d'énergie solaire et la demande de la charge de chauffage. Ces systèmes sont surtout déployés en Europe; au Canada, la seule installation de SDH est la communauté solaire Drake Landing (DLSC pour Drake Landing Solar Community). Ce projet, qui comprend du stockage saisonnier (BTES pour Borehole Thermal Energy Storage), a été un grand succès, il a atteint 95% de fraction solaire à la cinquième année d'opération. Un système SDH ne peut être complet sans un système de commande qui coordonne le fonctionnement et l'interaction des composants de l'installation. Le contrôle est basé sur un ensemble de règles qui prennent en considération l'état interne du système et les conditions extérieures pour garantir le confort des occupants avec un minimum de consommation de combustibles fossiles. Ce projet de recherche se concentre principalement sur la conception et l'évaluation des nouveaux mécanismes de commande visant à l'augmentation de l'efficacité énergétique globale des systèmes SDH. L'étude de cas est le projet DLSC, et les stratégies de commande proposées sont basées sur l'application pratique des concepts de la Commande Prédictive basée sur des Modèles (MPC pour Model Predictive Control). Un modèle calibré de DLSC qui inclut les stratégies de commande a été développé dans TRNSYS, en s'appuyant sur le modèle utilisé pour les études de conception. Le modèle a été amélioré et de nouveaux composants ont été créés. Le processus de calibration a montré un très bon accord pour les indices annuels de performance énergétique (2% pour la consommation de gaz et pour la partie solaire de l'énergie thermique livrée au réseau de chaleur et, 5% pour la consommation d'électricité).  ABSTRACT: Solar district heating (SDH) systems are part of the solution to reduce energy consumption and GHG emissions required for space heating. This kind of installation takes advantage of the convenience of a centralized system and of solar energy to reduce dependency on fossil-fuels. An SDH system is a proven concept that can be enhanced with the addition of long-term thermal energy storage to compensate the seasonal disparity between solar energy supply and heating load demand. These systems are especially deployed in Europe. In Canada, the only SDH installation is the Drake Landing Solar Community (DLSC). This project, which includes seasonal storage (Borehole Thermal Energy Storage-BTES), has been a remarkable success, reaching a solar fraction of 97% by the fifth year of operation. An SDH system cannot be complete without an appropriate supervisory control that coordinates the operation and interaction of system components. The control is based on a set of rules that must consider the system's internal status and external conditions to guarantee occupant comfort with minimal fossil-fuels consumption. This research project is mainly focused on conceiving and assessing new control mechanisms aiming towards an increase of SDH systems' overall energy efficiency. The case study is the DLSC plant, and the proposed control strategies are based on the practical application of Model Predictive Control (MPC) theory. A calibrated model of DLSC including the supervisory control strategies was developed in TRNSYS, building upon the model used for design studies. The model was improved and new components were created when needed. The calibration process delivered a very good agreement for the most important yearly energy performance indices (2 % for solar heat input to the district and for gas consumption, and 5 % for electricity use). Proposed control strategies were conceived for modifying four aspects of the current control: the parameters that define the interaction between the Short-Term Thermal Storage (STTS) and the BTES have been optimized so the STTS keeps a higher level of charge in winter-mode operation; a second control strategy forces the BTES discharge when anticipated weather conditions indicate a high heating load and/or reduced solar irradiation; the last two strategies target electricity consumption in the solar loop and the BTES loop by modulating the pumps speeds. Results show that energy efficiency when these control strategies are applied altogether can be improved by about 5% when using perfect forecasts as model's input.