identifier: Fotovat, F. (2013). Characterization of Hydrodynamics and Solids Mixing in Fluidized Beds Involving Biomass  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intérêt croissant pour l'utilisation de la biomasse comme source renouvelable d'énergie propre a entraîné l'application vaste d'unités de traitement thermique de la biomasse à travers le monde. Ces unités, qui sont principalement basées sur la fluidisation gaz-solide, souffrent de certains obstacles hydrodynamiques tels que la ségrégation du lit. En outre, les aspects d'écoulement multiphasiques complexes de ces unités ont toujours demeuré largement inconnus. Par conséquent, la réalisation d'une recherche approfondie sur ce domaine est cruciale pour le design et l'optimisation du fonctionnement des unités de biomasse à lit fluidisé. Cette thèse se concentre donc sur la caractérisation de l'hydrodynamique et les phénomènes de mélange dans les lits fluidisés contenant des mélanges de sable et de particules irrégulières de biomasse. Le premier objectif de cette étude est de comprendre l'effet des grosses particules de biomasse sur les caractéristiques des bulles et le type de distribution de gaz dans les lits fluidisés de sable. Cela est essentiel pour atteindre le deuxième objectif qui est la caractérisation de mélange/ségrégation de la biomasse et des particules de sable dans les conditions de fluidisation. Explorer les paramètres régissant le mélange/ségrégation est utile pour ajuster les conditions d'exploitation afin d'améliorer ce phénomène bénéfique pour le système. En conséquence, la ségrégation est exploitée dans le dernier chapitre de cette thèse afin de séparer les composants combustibles des déchets solides municipaux par un processus par étapes. Une variété de techniques expérimentales est utilisée pour étudier le comportement des deux phases constituant un lit fluidisé, soit phase diluée (bulle) et dense (émulsion). L'exploration des vitesses de fluidisation pour les mélanges de sable et de biomasse dévoile que l'apparition des bulles dans ce système se produit à une vitesse de gaz plus élevée par rapport à la vitesse de fluidisation initiale de fluidisation (Uif). La vitesse initiale de bullage (Uib), la vitesse de fluidisation finale (Uff), et la vitesse du gaz de transition du régime de bullage au régime turbulent (Uc) augmentent avec l'augmentation de la fraction de la biomasse dans le mélange. Les fluctuations locales des signaux de pression et de porosité sont mesurées dans des positions différentes du lit à l'aide de capteurs de pression absolue et différentielle et des sondes à fibre optique. L'analyse statistique du signal de pression au dessus du lit révèle que l'augmentation de la charge de la biomasse empêche l'évolution des bulles à faible vitesse de gaz (U<0,6 m/s), tandis qu'à des vitesses élevées, la tendance de propagation de lits contenant différentes fractions de la biomasse est comparable. L'ajout de particules de biomasse à un lit de sable conduit à augmenter la porosité moyenne du lit, mais le degré de vide de chaque phase reste inchangé. On observe que les grandes particules de biomasse déclenchent l'éclatement de bulles, ce qui mène à l'augmentation de la fréquence de bullage. La fraction de bulles au centre du lit augmente avec la charge de biomasse. Cependant, en ajoutant 2% en masse de la biomasse au sable pur, cette fraction diminue à la paroi puis augmente à l'addition de biomasse supplémentaire.  La technique de suivi des particules radioactives (RPT) est mise en œuvre dans la deuxième partie de ce travail pour étudier le mouvement et la distribution des particules de biomasse à U=0,36 m/s et U=0,64 m/s. À cet égard, une particule active de biomasse est suivie pour une longue période de temps et sa position instantanée est enregistrée. Les données acquises sont ensuite traitées pour obtenir le profil de concentration moyenne temporelle des particules de biomasse. Ce profil représente la ségrégation des particules de biomasse qui ont tendance à s'accumuler dans les niveaux supérieurs du lit. Les variations de la fraction de la biomasse avec la vitesse de la fluidisation sont déduites des changements locaux des valeurs de perte de charge moyenne temporelle au dessus du lit. Pour déterminer les paramètres affectant le mouvement et la ségrégation des particules de biomasse, le mouvement circulatoire de la biomasse est également examiné en utilisant les données RPT. A U=0,36 m/s, La circulation de la biomasse est empêchée lorsque la charge de biomasse monte, ce qui entraîne une ségrégation plus prononcée du sable et de la biomasse. Une tendance inverse est observée à U=0,64 m/s, lorsque la charge de la biomasse augmente de 2% à 16% en masse. C'est à dire, plus de particules de biomasse peuvent compléter leur circulation tout en coulant dans les parties les plus profondes du lit. Cela provoque une répartition plus uniforme de particules le long du lit et amène un plus haut degré de mélangeage. Ces phénomènes pourraient être directement liés à l'activité de bullage du lit qui est influencée par la vitesse du gaz et de la composition du lit, comme indiqué dans la première partie de cette étude. Sur la base des résultats RPT, la vitesse d'augmentation moyenne de la biomasse est de 0,2 fois la vitesse de bulle, indépendamment de la charge de biomasse ou de la vitesse de fluidisation. Un modèle unidimensionnel est proposé afin de prévoir la fraction volumique de la biomasse le long du lit. Certains des termes de ce modèle sont liés au comportement de fluidisation des particules de biomasse, déduits par RPT. Les résultats de ce modèle pourraient prédire avec succès les valeurs expérimentales correspondantes. La fluidisation du sable et des particules de biomasse cylindriques est aussi simulé à l'aide du logiciel BARRACUDA CPFD, qui est basé sur la méthode Lagrange-Eulérienne. Les résultats des simulations et des expériences sont comparés dans le but d'évaluer la capacité de l'approche numérique pour prédire les caractéristiques de propagation du mélange sable-biomasse pour les systèmes différents en termes de composition et de vitesse de fluidisation. L'approche numérique choisie pourrait prédire avec succès la mesure de l'expansion du lit pour chaque espèce (sable ou biomasse). En outre, les propriétés statistiques de la distribution de la taille et la vitesse des bulles –telles que la moyenne, l'écart-type et l'asymétrie –obtenues à partir de la simulation sont comparables avec les valeurs expérimentales correspondantes. La dernière partie de cette thèse est consacrée à la séparation des principaux composants des déchets encombrants déchiquetés. Le motif derrière cela est la nécessité du contrôle de la composition des combustibles dérivés de déchets solides pour promouvoir l'efficacité de la combustion et de réduire le niveau des émissions qui en résultent. À cet effet, les écoulements presque purs des éléments combustibles dérivés des déchets solides sont exigés de fabriquer un combustible souhaitable.  À cet égard, un processus par étapes est développé sur la base des phénomènes d'élutriation et de ségrégation. Après élimination des espèces légères et entrelacées de déchets déchiquetés par élutriation, les matériaux non élutriés sont en outre séparés dans deux colonnes successives de fluidisation. Polypropylène et perles de verre sont introduits comme les médias de fluidification dans ces colonnes afin de rendre la ségrégation des composants cible et non-cibles possibles. Par conséquent, les matériaux combustibles indésirables et les particules de plastique dur sont séparés comme le trop-plein de la première et la deuxième étape de fluidification. Une deuxième colonne d'élutriation est également conçue pour séparer la fibre et le plastique mou. Les pourcentages de recouvrement et la pureté des étapes constituant le processus global sont respectivement de 95% et 47% dans les conditions de fonctionnement optimales. Pour déterminer ces conditions, plusieurs paramètres d'influence tels que la vitesse d'élutriation, la durée de l'élutriation, la taille et la densité des médias de fluidisation et de la configuration initiale du déchet et les matières du lit sont explorés. La cinétique de ségrégation est également dérivée pour les deux étapes de fluidification.  ABSTRACT: Growing interest in the use of biomass materials as a clean and renewable source of energy has resulted in the widespread application of thermal biomass processing units across the world. These units, which are mainly based on gas-solid fluidization, suffer from some hydrodynamic hurdles, such as the segregation of bed inventory. In addition, the complex multiphase flow aspects of these units have still remained largely unknown. Hence, conducting comprehensive research in this field is crucial for the optimal design and operation of fluidized bed biomass units. This thesis, therefore, focuses on the characterization of hydrodynamics and mixing phenomena in fluidized beds containing mixtures of sand and irregular biomass particles. In the first two chapters of this thesis the principal aspects of the hydrodynamic phenomena in fluidized beds involving biomass are briefly discussed and the most significant relevant findings are reviewed. The first objective of this study is understanding the effect of the large biomass particles on the bubbling characteristics and gas distribution pattern of sand fluidized beds. In this regard, the third chapter of this thesis is devoted to studying the local and global pattern of gas distribution between the dilute (bubble) and dense (emulsion) phases of a fluidized bed composed of sand and different weight fractions of biomass (2–16%). This is essential for achieving the second objective, which is the characterization of mixing/segregation of biomass and sand particles under fluidization conditions. It is the subject of the forth chapter of the present thesis in which the axial distribution of large biomass particles in a sand-biomass fluidized bed is discussed. In view of the growing importance of the numerical simulations in optimal design and operation of biomass fluidized bed units, the fifth chapter of this thesis focuses on the experimental validation of a Lagrangian-Eulerian numerical approach simulating fluidization of both sand and biomass particles. Exploring the parameters governing mixing/segregation is helpful to adjust the operating conditions to enhance either phenomenon that is beneficial. Accordingly, segregation is exploited in the sixth chapter of this thesis to separate the main combustible components of the shredded bulky waste through a step-wise process. A variety of experimental techniques are employed to study the behavior of two constituting phases of a fluidized bed, i.e., dilute (bubble) and dense (emulsion) phases. Exploring the characteristic fluidization velocities of sand-biomass mixtures unveils that the onset of bubbling in these systems occurs at a higher gas velocity compared to that of the initial fluidization velocity (Uif). The initial bubbling velocity (Uib), the final fluidization velocity (Uff), and the transition gas velocity from bubbling to turbulent regime (Uc) rise by increasing the fraction of biomass in the mixture. The local fluctuations of the pressure and voidage signals are measured in different positions of the bed using absolute and differential pressure transducers and optical fiber probes. Statistical analysis of the pressure signal at top of the bed reveals that increasing the biomass load hinders the evolution of bubbles at a low gas velocity (U<0.6 m/s), while at high velocities, the bubbling trend of beds containing different fractions of biomass is comparable. The addition of biomass particles to a bed of sand leads to an increase in the mean voidage of the bed; however, the voidage of each phase remains unaffected. It is observed that large biomass particles trigger a break-up of the bubbles, which results in boosting bubbling frequency. The fraction of bubbles at the center of the bed increases with the load of biomass. At the wall region, however, it starts to decrease by adding 2% wt. biomass to pure sand and then increases with the further addition of biomass.  The Radioactive Particle Tracking (RPT) technique is implemented in the second section of this work to study the motion and distribution of biomass particles at U=0.36 m/s and U=0.64 m/s. In this regard, an active biomass particle is tracked for a long period of time and its instantaneous position is recorded. The acquired data is then processed to achieve the time-averaged concentration profile of biomass particles. This profile represents the segregation of biomass particles, which tend to accumulate in the upper levels of the bed. Changes in the fraction of biomass with increasing gas velocity are inferred from the local changes of the time-averaged pressure drop values at the top of the bed. To determine the parameters affecting the movement and segregation of biomass particles, their circulatory motion is also scrutinized using the RPT data. The circulation of biomass is impeded when the load of biomass rises at U=0.36 m/s, resulting in a more pronounced segregation of sand and biomass. The opposite trend is observed at U=0.64 m/s, i.e., when the biomass load increases from 2% to 16% wt., more biomass particles can successfully complete their circulation while sinking to the deeper parts of the bed. This prompts a more uniform distribution of particles along the bed and brings about a higher degree of mixing. These phenomena could be directly related to the bed bubbling activity which is influenced by the gas velocity and the composition of the bed inventory as noted in the first part of this study. Based on the RPT results, the average rise velocity of biomass is 0.2 times the bubble velocity, regardless of the biomass load or fluidization velocity. A one-dimensional model is proposed to predict the volume fraction of biomass along the bed. Some of the terms of this model are linked to the fluidizing behavior of biomass particles as deduced from the RPT findings. The model's results could successfully predict the corresponding experimental values.  The fluidization of sand and cylindrical biomass particles is also simulated using the BARRACUDA CPFD software, which is based on the Lagrangian-Eulerian approach. Simulation and experimental results are compared in order to evaluate the capability of the numerical approach to predict the bubbling characteristics of the sand-biomass mixture for systems differing in composition and fluidization velocity. The chosen numerical approach could successfully predict the extent of bed expansion for each species (sand or biomass particles). Moreover, the statistical properties of the distribution of both bubble size and velocity such as mean, standard deviation and skewness, obtained from the simulation are fairly comparable with the corresponding experimental values.  The last part of this thesis is devoted to the separation of the main components of the shredded bulky waste. The motive behind this is the necessity of controlling the composition of the solid waste-based Engineered Fuel (EF) to promote combustion efficiency and lower the level of the resulting emissions. For this purpose, nearly pure streams of the combustible components derived from the municipal solid waste (MSW) are required to make a tailored EF. Therefore, a step-wise process has been developed based on the elutriation and density segregation techniques. After removal of the light and interwoven species of the shredded waste by elutriation, the non-elutriated materials are further separated into two successive fluidization columns. Polypropylene and glass beads are introduced as the fluidization media in these columns in order to make density segregation of the target and not-target components possible. Hence, undesirable combustible matters and hard plastic are separated as the overflow of the first and second fluidization steps. A second elutriation column is also devised to separate and recover fiber and soft plastic. The recovery and purity percentages of the steps of the overall process are respectively over 95% and 47% under optimal operating conditions. To determine these conditions, several influential parameters, such as the elutriation velocity and time, the size and density of the fluidization media, and the initial configuration of the feedstock and bed material, are explored. The kinetics of segregation is also derived for both fluidization steps.


identifier: Coronado, J. D. (2013). Monitoring System for the Online Estimation of the Internal Parameters of a Microbial Fuel Cell Operated Intermittently  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude décrit l'opération des Piles à Combustible Microbiennes (PCMs) avec la connexion intermittente de la résistance externe (mode R-PWM). L'étude est composée de 2 sections : la première décrit l'opération de la PCM à basses et hautes fréquences, avec différents taux de connexion/déconnexion de la résistance externe. La deuxième partie rejoint le mode de fonctionnement RPWM à la solution analytique d'un Modèle de Circuit Équivalent (MCE), afin de développer une procédure de supervision en ligne. Cette stratégie rend le suivi périodique des paramètres internes de la PCM possible. Quant à la première partie du projet, l'analyse des profils de tension acquis démontrent la présence de composants dynamiques lents et rapides. Ceux-ci peuvent être décrits par un modèle de circuit équivalent simple, qui est d'ailleurs approprié pour des applications comme la commande de procédés. Aux fréquences d'exploitation plus élevées que 100 Hz, une amélioration considérable de la performance des PCMs est observée, avec une augmentation du 22 % au 43 % de la puissance de sortie, en comparaison avec l'opération de la PCM avec sa résistance externe continuellement connectée. Basé sur les dynamique identifiées pour la PCM à basse et haute fréquence, la solution analytique pour le modèle de circuit équivalent est ensuite utilisée comme base pour développer une stratégie de supervision en ligne. L'algorithme permet le calcul en ligne des paramètres internes de la PCM. Pour valider l'exactitude des valeurs estimées, les profils de tension électrique à bas et haute fréquence sont générés et statistiquement comparés aux profils réels de tension de la PCM. Quand les 2 profils sont comparés, des erreurs quadratiques moyenne de 5.26e-4 sont obtenues pour les profils de basse fréquence. À haute fréquence, l'erreur est 9.69e-6. Par ailleurs, les estimations en ligne des paramètres internes sont comparées à des paramètres calculés hors ligne. Les évolutions observées sont en effet semblables, même si les valeurs diffèrent. La stratégie de supervision en ligne a été testée sous 2 conditions d'opération différentes : d'abord, une PCM a été utilisé dans pour étudier l'évolution des paramètres en réponse aux changements de la charge organique. De plus, une deuxième PCM a été construite pour faire le suivi périodique de l'évolution des paramètres internes dans le temps, du démarrage de la PCM à sa maturité.  ABSTRACT: This research study describes the operation of a Microbial Fuel Cell (MFC) under pulse-width modulated connection of the external resistor (RPWM mode). The study is composed of 2 main sections: the first one describes the MFC operation at low and high frequencies, and under varying periods of external resistance connection/disconnection or duty cycle (D). The second part blends the RPWM mode of operation to the analytical solution of a proposed Equivalent Circuit Model (ECM) in order to develop an on-line monitoring procedure. This monitoring strategy allows the periodic follow-up of the MFC internal parameters. Regarding the first part of this project, the analysis of the output voltage profiles acquired during R-PWM tests showed the presence of slow and fast dynamic components, which can be described by a simple equivalent circuit model (ECM) suitable for process control applications. At operating frequencies above 100 Hz a noticeable improvement in MFC performance was observed with the power output increase of 22–43% as compared to MFC operation with a constant external resistance. Based on the identified dynamics for the MFC dynamics at low and high frequency, the analytical solution for the equivalent circuit model is used as a basis for an on-line monitoring strategy. This algorithm allows the online estimation of the MFC internal parameters. To validate the accuracy of the estimations, low and high frequency voltage profiles are generated and statistically compared to actual voltage profiles for the MFC. When actual and online estimated profiles are compared, mean square errors of 5.26e-4 for low frequency profiles, and 9.69e-6 for high frequency profiles were obtained. On-line estimations of the MFC internal parameters are also compared to off-line estimated parameters, and similar evolution trends are observed. The on-line monitoring strategy was tested under 2 different operating conditions: first, one MFC was used in under to study parameter evolution under varying organic load. Then, a second MFC was newly built in order to make a periodic follow-up of the internal parameters' evolution in time, from the MFC start-up to its maturity.


identifier: Desjardins, M. (2013). Imagerie multimodale des corrélats vasculaires du vieillissement cérébral  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs décennies de recherche ont permis de démontrer que le vieillissement a des effets sur une multitudes de composantes du cerveau. En particulier, des preuves s'accumulent à l'effet qu'il existe un lien entre le fonctionnement du cerveau au niveau cognitif et la santé du système vasculaire, notamment le débit sanguin cérébral (DSC) qui diminue avec l'âge, ainsi que la santé cardiorespiratoire qui pourrait corréler à la performance cognitive selon certaines études. Plusieurs techniques d'imagerie cérébrale couramment utilisées en recherche, telles que le signal dépendant du niveau d'oxygénation du sang en imagerie par résonance magnétique (BOLDIRM), se basent sur les corrélats vasculaires de l'activité des neurones. Cela en fait des outils propices pour l'étude des effets vasculaires du vieillissement, qui influencent directement les signaux mesurés. Cette thèse a utilisé plusieurs techniques d'imagerie cérébrale basées sur l'hémodynamique pour étudier les effets du vieillissement sur le cerveau à différentes échelles spatiales, chez l'humain et dans un modèle animal chez le rat. Dans un premier temps, la microscopie biphotonique a été utilisée pour mesurer la vitesse des globules rouges, le diamètre et la densité des capillaires ainsi que l'hématocrite local dans près de 1000 capillaires chez 12 rats Long-Evans jeunes (3 mois) et 12 rats âgés (24 mois) anesthésiés. Il a été mesuré que la vitesse des globules rouges et le diamètre étaient plus élevés dans les capillaires de rats âgés (par 48 et 7% respectivement), tandis que l'hématocrite et la densité volumiques des capillaires étaient plus faibles (par 32 et 20%). Ces résultats suggèrent que la diminution du DSC avec l'âge serait surtout attribuable à une baisse de densité vasculaire. En second lieu, l'IRM et la spectroscopie résolue en temps de vol ont permis de mesurer le débit, l'oxygénation (sO2) et la concentration totale d'hémoglobine (HbT) dans les cerveaux d'humains jeunes (18-30 ans) et âgés (62-72 ans), en plus de la réponse à une tâche cognitive de Stroop en termes de BOLD et de DSC. La capacité cardiorespiratoire des sujets et été mesurée par un test de VO2max. Nous avons mesuré, dans le cortex préfrontal gauche sollicité par la tâche de Stroop, des valeurs plus faibles de DSC (par 19%), sO2 (par 6%) et HbT (par 21%) chez les sujets âgés. Dans le groupe âgé, les mesures de sO2 étaient corrélées à la performance cognitive dans la tâche Stroop ainsi qu'au VO2max, mais pas celles de DSC ni de HbT. Ces résultats suggèrent un effet protecteur de l'exercice physique sur la santé cognitive dans le vieillissement, dont les mécanismes seraient liés à une amélioration de l'oxygénation cérébrale. Enfin, les mêmes groupes de rats jeune et âgé ont été soumis à un stimulus vasodilatateur, l'hypercapnie, afin de mesurer la réponse hémodynamique à l'aide de  ABSTRACT: Several decades of research have demonstrated that aging affects a multitude of components in the brain. In particular, evidence is accumulating on the relation between brain function and vascular health, including cerebral blood flow (CBF), which decreases with age, and cardiopulmonary health which could correlate with cognitive performance according to some studies. Several brain imaging techniques commonly used in research, such as the blood oxygenation level dependent signal in magnetic resonance imaging (BOLD-MRI), are based on the vascular correlates of neural activity. This makes them suitable tools for the study of the vascular effects of aging, which directly influence the measured signals. This thesis used several imaging modalities based on hemodynamics to study the effects of aging on the brain at different spatial scales, in humans and in an animal model, the rat. Initially, two-photon microscopy was used to measure the velocity of red blood cells (RBCs), the diameter and the density of capillaries and the local hematocrit in nearly 1000 capillaries in 12 young (3 months-old) and 12 aged anesthetized Long-Evans rats (24 months-old). We measured higher RBCs velocity and diameter in the capillaries of aged rats (by 48 and 7 % respectively), while the hematocrit and volumetric capillary density were lower (by 32 and 20 %). These results suggest that the decrease in CBF with age is due primarily to a decrease in vascular density. Second, MRI and time-resolved spectroscopy were used to measure the CBF, oxygenation (sO2) and total hemoglobin concentration (HbT) in the brains of young (18-30 years-old) and elderly (62-72 years-old) humans, in addition to the response to a cognitive Stroop task in terms of BOLD and CBF. Cardiorespiratory fitness was measured by a VO2max test. In the left prefrontal cortex activated by the Stroop task, we measured lower values of CBF (by 19%), sO2 (by 6%) and HbT (by 21%) in the elderly. In the older group, measures of sO2 were correlated with Stroop task cognitive performance and with VO2max, while CBF and HbT were not. These results suggest a protective effect of physical activity on cognitive health in aging, mediated by an improvement in cerebral oxygenation. Finally, the same groups of young and old rats were subjected to a vasodilating stimulus, hypercapnia, for measuring the hemodynamic response with several imaging modalities. The data demonstrated a decrease in the hemodynamic response to hypercapnia in terms of CBF, HbT and HbO (oxygenated hemoglobin) in aged rats, suggesting decreased vascular reactivity. The vessels' compliance could also be reduced with age, as the ratio of


identifier: Erfanian Bani Nia Rabe, F. (2013). Measurement of Geographical Dispersion in Virtual Project Teams  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le contexte actuel de mondialisation et de développement rapide des technologies de communication incite les organisations à mettre en place des équipes de projets dispersées. À mesure que se généralise ce mode d'organisation, plusieurs chercheurs s'y intéressent et tentent de mieux comprendre les facteurs, processus et conditions qui favorisent son implantation. Bien qu'un corpus de connaissances se soit bien développé au cours de la dernière décennie, plusieurs dimensions de ce phénomène restent peu explorées, et c'est précisément le cas de la mesure de dispersion des équipes. La littérature suggère en effet un manque de rigueur et d'homogénéité à ce niveau. L'objectif global de cette étude consiste justement à analyser un certain nombre de propositions de mesure de dispersion appliquées à des équipes de projet réelles. Après avoir examiné les principales définitions de la dispersion des équipes dans la littérature, certaines mesures sont sélectionnées. Le potentiel de ces mesures est ensuite analysé à partir d'une base de données contenant plusieurs informations fournies par des professionnels de la gestion de projet. La comparaison de ces mesures s'appuie sur un modèle théorique mettant en relation la dispersion, l'efficacité des équipes de projets, et certains facteurs contextuels dont l'impact sur le fonctionnement des équipes est établi dans la littérature. Au terme de l'analyse, il est possible d'identifier une mesure simple et deux mesures combinées présentant un plus grand potentiel d'applicabilité que les sept mesures simples et 56 mesures combinées considérées initialement. Parmi toutes les mesures de dispersion simple, les résultats des analyses effectuées rapportent que l'indice appelé Member Index est la meilleure solution pour cerner la dispersion. Parmi les mesures combinées, les résultats des analyses révèlent que les deux meilleurs types de mesures de dispersion sont 1) celle qui combine la distance, le temps, et l'indice de voyage, et 2) celle qui combine la distance, le nombre de sites et l'indice de voyage.Outre la contribution sur la plan méthodologique (analyse des mesures de dispersion), cette recherche fournit également des résultats intéressants tant sur le plan théorique que pratique. Plusieurs implications managériales sont identifiées notamment en ce qui concerne l'effet de l'expérience du chef de projet et la fréquence de réunions entre les membres des équipes dispersées. Au plan théorique, cette étude contribue à l'avancement de l'état actuel des connaissances portant sur le thème de la dispersion dont le degré est rarement étudié dans des projets concrets. En effet, bien que certains auteurs aient proposé diverses structures pour cerner cette dimension, les mesures théoriques sont rarement étudiées dans des projets concrets. Afin de pallier cette limite, cette étude explore les mesures proposées, sur la base d'un échantillon de 149 projets réels de la diversité considérable en termes de distance géographique, les fuseaux horaires et les caractéristiques organisationnelles.  ABSTRACT: The current context of globalization and the fast development of communication technologies encourages organizations to use virtual project teams. As this organizational form is becoming more demanded, many researchers are interested in and try to better understand the factors, processes and conditions that favor its implementation. Although a body of knowledge is well developed over the last decade, several aspects of this phenomenon remain poorly explored, and this is precisely what the measurement of dispersed teams experienced. Indeed, the literature suggests a lack of rigor and consistency at this level. The overall objective of this study is precisely to analyze a number of proposals for measuring dispersion applied to real project teams. After reviewing the main definitions of virtual teams in the literature, some measures are selected. The potential of these dispersion measures is then analyzed from a database containing information provided by several project management professionals. The comparison of these measures is based on a theoretical model linking the virtual teamwork effectiveness of project teams, and certain characteristics of the organization whose impact on the functioning of the teams were established in the literature. After the analysis, a simple measure and two combined measures were identified with greater potential applicability of the seven (7) simple measures and fifty six (56) combined measures initially considered. Among all the simple dispersion measures, member index is the best fit to capture dispersion. Among combined measures, the combined measures of spatial, temporal, and travel indices and spatial, number of sites and travel indices are proved to be the best. Besides the methodological contribution (analysis of measures of dispersion), this research also provides interesting results both in theory and practice. Several managerial implications are identified in particular as regards the effect of the experience of the project manager and the frequency of meetings between members of virtual teams. The current study provides several theoretical contributions to virtual dispersion research community. First of all, the degree of dispersion is rarely studied in real-life projects. Many authors have provided different structures to capture this dimension. However, theoretical measures are rarely studied in ongoing real projects. The present study looks at the proposed measures using a sample of 149 real projects of considerable diversity in terms of geographic distance, time zones and organizational characteristics. The results are of practical use to both researchers and managers of virtual teams. The concept of creating combined measures to capture the multi-dimensional nature of dispersion is another contribution of this thesis. The combined measures capture the various aspects of dispersion simultaneously. Among the managerial implications of the thesis, the importance of project manager experience and managerial skills is revealed. The technological support is also a essential factor to consider for project managers.


identifier: Lopez, H. I. (2013). New Circular Polarization Selective Surface Concepts Based on The Pierrot Cell Using Printed Circuit Technology  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RESUMÉ   Ce mémoire porte sur la recherche d'une méthode alternative permettant de construire une surface sélective en polarisation circulaire (circular polarization selective surface, ou CPSS) basée sur la cellule de Pierrot en utilisant la technologie des circuits imprimés. Cette technique de fabrication utilise un substrat mince plié, ce qui permet la mise en œuvre des cellules de Pierrot sur une couche de métal définie par des techniques de circuits imprimés de précision, sans avoir besoin de trous d'interconnexion métallisés. Différentes topologies des CPSS sont analysées afin de rendre le CPSS plus efficace en termes de bande passante et de l'indépendance de l'angle d'arrivée de l'onde incidente. Des prototypes de CPSS réfléchissants pour la polarisation circulaire gauche et transparents pour la polarisation circulaire droite sont conçus pour illustrer les avantages de l'approche proposée. Le premier prototype est un CPSS composé de cellules simples de Pierrot optimisées pour avoir de bons coefficients de réflexion et de transmission. Ce prototype a été construit et ensuite caractérisé par un banc de test en fonctionnement dans la bande K. Les coefficients de transmission des ondes planes en incidence normale et de polarisations circulaires droite et gauche sont -0.48 dB et -24 dB respectivement. La bande passante obtenue pour un coefficient de transmission de la polarisation circulaire gauche inférieure à -3 dB était de 17.6%. Ces résultats sont en bon accord avec les résultats de simulations obtenus avec HFSS. Une deuxième variante considérée est une cellule de Pierrot avec une charge série ajoutée sur le segment du milieu. Grâce à cette cellule, il est possible d'égaliser les fréquences pour lesquelles il y a un meilleur fonctionnement pour les polarisations circulaires droite et gauche. Cette cellule a permis d'obtenir une amélioration pour le rapport copolarisation à polarisation croisée pour les ondes RHCP de 10 dB à 20 GHz. La charge supplémentaire n'affecte pas la performance de la polarisation circulaire gauche comme prévu. La troisième variante est une cellule de Pierrot à 90 degrés. Cette cellule est conçue afin de permettre d'imprimer sur le même substrat deux types de cellules fonctionnant à des fréquences différentes, et ainsi permettre d'élargir la bande de fonctionnement des CPSS.  ABSTRACT: This M.A.Sc. thesis focuses on finding an alternative method of constructing a circular polarization selective surface (CPSS) based on the Pierrot cell using the standard printed circuit technology. This technique uses a folded flexible substrate, which enables the implementation of the 3D Pierrot cells on a single metal layer defined with precision printed circuit board techniques, without the need for metalized via holes. Different topologies of the CPSS are analyzed in order to make the CPSS more efficient in terms of bandwidth and independence on the direction of propagation of the incident wave. A left-hand CPSS is designed to illustrate the benefits of the proposed approach. The first approach is a simple Pierrot unit cell CPSS which is optimized to have good reflection and transmission coefficients. A prototype is built and then characterized in a test bench operating in the K-band. For the fabricated prototype, the transmission coefficients of plane waves at normal incidence in the right-hand and the left-hand circular polarizations are -0.48 dB and -24 dB respectively. The bandwidth for which the transmission coefficient of the incident left-handed incident wave is greater than -3 dB was of 17.6%. These results are in good agreement with simulations results obtained with HFSS.  A second variant considered is a Pierrot cell with a series load in the middle segment. With this cell it is possible to equalize the frequencies giving a better operation in the right- and left-handed circular polarized waves. There is an improvement for the co-pol to cross-pol ratio for the RHCP waves of 10 dB at 20 GHz. The added load does not affect the performance for the left-hand circular polarization, as expected. The third modification is a Pierrot cell at 90 degrees. This cell is designed to allow the combination of two Pierrot cells working at different frequencies on the same substrate in order to increase the frequency bandwidth of the CPSS. Unfortunately, the axial ratio for this configuration is much deteriorated while the rest of the results remain at good values.


identifier: Lemay, A. (2013). Defending the SCADA Network Controlling the Electrical Grid from Advanced Persistent Threats  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les civilisations modernes sont dépendantes des technologies de l'information et des communications. Par ce fait, elles requièrent une alimentation constante en électricité pour assurer leur prospérité. Un siècle de travaux acharnés par des ingénieurs en électronique de puissance permet de garantir la fiabilité des réseaux électriques. Un des outils pour arriver à cette fin est une augmentation de l'automatisation et du contrôle à distance des réseaux électriques. Cette technologie permet aux contrôleurs qui opèrent le réseau électrique d'ajuster automatiquement des paramètres opérationnels pour faire face aux contraintes extérieures au fur et à mesure que ces contraintes évoluent. Par exemple, une augmentation de la demande suite à une vague de froid va automatiquement entraîner une augmentation de l'approvisionnement par l'envoi de commandes à distance pour ouvrir les vannes  à la centrale hydroélectrique et faire tourner les turbines plus rapidement. Ceci garanti que le réseau électrique fonctionne toujours à pleine capacité et livre l'énergie électrique avec fiabilité, sans égard aux conditions externes. Paradoxalement, les gains offerts par les systèmes automatisés ont introduit un risque jusqu'alors inconnu à la fiabilité du réseau électrique : les cyber attaques. Pour permettre l'automatisation, les opérateurs de réseaux électriques se sont tournés vers la technologie d'acquisition de données et de supervision, mieux connu sous le nom de système SCADA. De nos jours, la technologie SCADA se base sur du matériel et des logiciels commerciaux comme les communications TCP/IP via Ethernet ou comme le système d'exploitation Windows. Ceci permet aux entités malicieuses de faire usage de leur savoir concernant les techniques offensives qu'ils ont développé pour attaquer les systèmes traditionnels faisant usage de ces technologies. La majorité de ces entités sont des menaces diffuses cherchant principalement à acquérir de la capacité de stockage servant à héberger du contenu illégal, du temps machine pour envoyer du spam ou des mots de passe pour permettre la fraude. Cet objectif est plus facile à atteindre en attaquant des ordinateurs personnels plutôt que des machines d'un réseau SCADA. Toutefois, certains acteurs ciblent délibérément les réseaux SCADA puisque ceux-ci ont le potentiel de causer des dégâts dans le monde physique. Ces acteurs recherchent agressivement les vulnérabilités et persévèrent dans leurs attaques, même face à une amélioration de la capacité défensive du réseau.  Ces acteurs se font affubler le qualificatif de menaces persistantes avancées ou APTs. À cause de cette volonté de cibler un réseau spécifique, il est plus difficile de détourner ces attaquants vers d'autres victimes. Si nous souhaitons empêcher ces APTs de s'attaquer aux réseaux SCADA qui contrôlent l'infrastructure critique, nous devons élaborer une stratégie qui ne repose pas sur la réduction complète des vulnérabilités. Un bon nombre de contraintes opérationnelles, comme le mode d'opération 24/7 qui rend la tenue de périodes de maintenance difficile, garantissent qu'il y aura toujours au moins une vulnérabilité potentiellement exploitable par un attaquant. Dans ce contexte, l'objectif de ce projet de recherche est d'aider les opérateurs de réseaux électriques à défendre leur réseau SCADA contre les menaces persistantes avancées. Pour atteindre cet objectif, nous visons à mieux comprendre comment le comportement des menaces persistantes avancées  se manifeste dans un réseau SCADA et à développer, en se basant sur des preuves expérimentales, de nouveaux outils et techniques pour se défendre contre les comportements attendus. En analysant les travaux antérieurs, on reconnaît que la vraie nature d'un réseau SCADA est de servir de boucle de contrôle pour le réseau électrique. Une conséquence directe est que tout attaquant qui obtient accès au réseau SCADA peut altérer l'état du réseau électrique à sa guise. Si un APT voudrait poursuivre ce but, la recherche actuelle en sécurité des réseau SCADA ne parviendrait pas à prévenir cette attaque puisqu'elle n'est pas orientée vers stopper les attaquants hautement qualifiés. Ceci rend les réseaux SCADA invitants pour les états engagés dans une compétition agressive. Malgré cela, aucun cyber incident majeur causant des dégâts physiques n'est répertorié à ce jour. En se basant sur cette observation, nous avons développé un modèle d'attaque pour le comportement d'un APT dans un réseau SCADA qui n'implique pas nécessairement des dommages massifs dans le monde physique. Ainsi, nous avons introduit le scénario d'attaque par trou d'aiguilles, notre première contribution majeure, dans lequel un attaquant cause de petits dégâts qui s'accumulent sur une longue période pour éviter d'être détecté. À partir de ce scénario, nous avons développé une stratégie consistant à augmenter la capacité de surveillance, c'est-à-dire de renforcer la puissance de la détection, pour prévenir l'utilisation de ce scénario d'attaque par les APTs. En se basant sur notre intuition que la détection d'intrusion par anomalie sera particulièrement efficace dans le contexte hautement régulier d'un réseau SCADA, l'utilisation de cette technique est favorisée. Pour tester les capacités de notre détecteur, nous devons adresser le problème du manque d'infrastructures expérimentales adaptées à la recherche en sécurité des réseaux SCADA. Une revue de la littérature montre que les approches expérimentales courantes ne sont pas appropriées pour générer des données réseau avec une haute fidélité. Pour résoudre ce problème, nous avons introduit le concept du Carré de sable ICS, notre deuxième contribution majeure, qui utilise une approche hybride combinant la haute fidélité des résultats de l'émulation et le facteur d'échelle et le faible coût de la simulation pour créer un montage expérimental capable de produire des données réseau de haute fidélité, adaptées à l'usage expérimental. Finalement, nous avons été en mesure de tester une implémentation d'un système de détection d'intrusion par anomalies, notre troisième contribution majeure, en utilisant le Carré de sable ICS. En utilisant des caractéristiques simples, il est possible de détecter du trafic de commandement et contrôle dans un réseau SCADA, ce qui force les attaquant à utiliser pour leurs opérations routinières de maintenance de complexes canaux cachés dont la bande passante est limitée. Ceci atteste de la validité de notre intuition selon laquelle la détection par anomalie est particulièrement efficace dans les réseaux SCADA, revitalisant par le fait même une technique de défense qui a longtemps été délaissée à cause de sa piètre performance dans les réseaux corporatifs typiques. La somme de ces contributions représente une amélioration significative de l'état de la défense des réseaux SCADA contre les menaces persistantes avancées, incluant les menaces en provenance des services de renseignement étatiques. Ceci contribue à une augmentation de la fiabilité des infrastructure critiques, et des réseaux électriques en particulier, face à un intérêt grandissant de la part des cyber attaquants.  ABSTRACT: Modern civilization, with its dependency on information technology, require a steady supply of electrical power to prosper. A century of relentless work by power engineers has ensured that the power grid is reliable. One of tools they used to achieve that goal is increased automation and remote control of the electrical grid. This technology allows the controllers supervising the power grid to automatically adjust operational parameters to meet external constraints as they evolve. A new surge in demand from a cold night will trigger an automated increase in supply. Remote control commands will be sent to open sluice gates at the hydroelectric plant to make turbines spin faster and generate more power. This ensures the electric grid always functions at peak efficiency and reliably deliver power no matter what the external conditions are. Paradoxically, the gains provided by the automated systems invited a previously unknown risk to the reliability of power delivery: cyber attacks. In order to achieve automation, utility operators have turned to Supervisory Control and Data Acquisition, or SCADA, technology. In this era, SCADA technology is built on top of commercial off the shelf hardware and software such as TCP/IP over Ethernet networks and Windows operating system. This enables malicious entities to leverage their pre-existing knowledge of offensive techniques known to work on these platform to attack the SCADA networks controlling critical infrastructure. Of those entities, the majority are unfocused attackers searching for commodity assets such as storage capacity to store illegal materials, processing power to send spam or credentials to enable fraud. However, some actors are deliberatively targeting the SCADA networks for their ability to cause damage in the physical realm. These actors aggressively search for vulnerabilities and are stubborn in the face of an increase in defensive measures and are dubbed advanced persistent threats, or APTs. As such, it is more difficult to turn them away. If we want to prevent these advanced persistent threats from preying on the SCADA networks controlling our critical infrastructure, we need to devise a defense that does not rely on completely removing vulnerabilities. A number of operational constraints, such as the need to operate 24/7 precluding the opening of maintenance windows, ensure that there will always be a vulnerability that can be exploited by an attacker. In that light, the goal of this research project is to is to help power grid operators defend their SCADA networks against advanced persistent threats. To achieve that goal we aim to better understand how the behaviour of advanced persistent threats will manifest itself in a SCADA network and to develop, based on evidence derived from experiments, new tools and techniques to defeat the expected behaviour. By analyzing prior work, we recognize that the true nature of SCADA networks is to serve as a basic control loop for the electric grid. A direct consequence is that any attacker gaining access to the SCADA network could send the grid into any state he wishes. We also showed that, should advanced persistent threats attempt to pursue this goal, current research in SCADA security would not provide significant help, not being focused on preventing the exploitation of SCADA network by skilled attackers. This makes SCADA networks attractive to nation states engaged in aggressively competitive behaviour. However, no evidence of major cyber incidents causing physical damage is forthcoming. From that observation, we developed an attacker model for advanced persistent threat behaviour in SCADA networks that did not necessarily involve causing massive physical damage. So, we introduced the pinprick attack scenario, our first major contribution, in which an attacker causes small amounts of damage that accumulate over time in order to stay under the radar.  From this scenario, we developed a strategy of increasing the capability of surveillance, or boosting the radar so to speak, in order to prevent advanced persistent threats from using this scenario. The use of anomaly-based intrusion detection was favored based on our intuition that it would prove very effective in the highly regimented context of SCADA networks. To test the capability of our detector, we needed to address the lack of experimental infrastructure suitable for network security. However, a study of the literature shows that current experimental approaches are not appropriate to generate high fidelity network data. To solve this problem, we introduced the ICS sandbox concept, our second major contribution, that used a hybrid approach combining the high fidelity results of emulation and the scalability and cost reduction of simulation to create an experimental setup able to produce high fidelity network data sets for experimentation.  Finally, we were able to test an implementation of anomaly-based intrusion detection, our third major contribution, using the ICS sandbox. Using only simple features, it was possible to detect command and control traffic in a SCADA network and push attackers to use complex covert channels with limited bandwidth to perform their routine maintenance operations. This attests to the validity of our intuition that anomaly-based detection is particularly effective in SCADA network, revivifying a defensive technique that suffers from poor performance in typical corporate networks. The sum of these contributions represent a significant improvement in the defense of SCADA networks against advanced persistent threats, including threats from nation state sponsored intelligence agencies. This contributes to the increased reliability of critical infrastructure, and of the electrical grid in particular, in the face of an increasing interest by cyber attackers.


identifier: Qu, H. (2013). All Photonic Bandgap Bragg Fiber Refractometers  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un réfractomètre est un senseur optique permettant de mesurer l'indice de réfraction d'une substance. Depuis que Ernst Abbe a inventé le premier réfractomètre de laboratoire dans les années soixante du dix-neuvième siècle, d'importants efforts ont été faits pour développer de nouveaux types de spectromètres avec une meilleure résolution et une empreinte plus petite. De nos jours, la réfractométrie est une technique fiable largement utilisée dans de nombreux domaines scientifiques et industriels, soit en ce qui a trait aux senseurs biologiques et chimiques, aux tests médicaux, à la gradation des bijoux, à l'industrie pharmaceutique, etc. Récemment, les réfractomètres à base de fibre ont attiré beaucoup l'attention grâce à leurs avantages uniques : leurs faibles pertes, leur légèreté, leur immunité à l'interférence électromagnétique, leur résistance aux environnements hostiles, leur passivité électrique et la possibilité de multiplexage. Aujourd'hui encore, la recherche et le développement de nouveaux réfractomètres à base de fibre ayant de plus hautes résolutions, de plus petites empreintes et un faible coût constituent encore le principal sujet de recherche en réfractométrie. Dans cette thèse, nous proposerons et fabriquerons expérimentalement un réfractomètre à base de fibre servant à la détection de faibles changements d'indice de réfraction dans des échantillons liquides. La composante principale de ce réfractomètre est une fibre de Bragg creuse, possédant un coeur creux entouré par une alternance de couches de polyméthacrylate de méthyl (PMMA) et de polystyrène (PS) servant de réflecteur de Bragg. Le mécanisme de base de cette fibre est la détection de résonance; les variations d'indice de réfraction de l'échantillon liquide induisent un changement de guidage résonant de la fibre, changeant ainsi l'intensité et la fréquence de résonance de la transmission. Les simulations théoriques et la caractérisation expérimentale sont faites pour confirmer les propriétés de ce mécanisme. De plus, nous étudierons en détail les performances de ce réfractomètre à base de fibre de Bragg en s'attardant à la sensibilité, à la plage dynamique, aux pertes d'insertion/couplage, au temps de réponse et à la dépendance de la sensibilité en fonction de la longueur de la fibre. Nous démontrerons expérimentalement que la sensibilité atteint 1400 nm par unité d'indice de réfraction (RIU), ce qui est comparable à la sensibilité propre aux autres réfractomètres à base de fibre microstructurée, et même aux réfractomètres basés sur la résonance de plasmon de surface. Nous noterons aussi que le temps de réponse du réfractomètre développé dans notre laboratoire est beaucoup plus petit que celui des  ABSTRACT: A refractometer is an optical sensor that can be used to measure the refractive index of a substance. Ever since Ernst Abbe invented the first laboratory refractometer in the late sixties of the nineteenth century, tremendous efforts have been undertaken to develop various types of refractometers with better resolution and smaller footprint. Nowadays, refractometry becomes a reliable technique that is widely used in a variety of scientific and industrial fields such as bio/chemical sensing, food industry, medical/clinical examination, jewelry gradation, pharmaceutical and cosmetic industry, to name a few. In recent years, fiber-based refractometers have drawn considerable attention due to their unique advantages such as low signal loss (attenuation), light weight, immunity to electromagnetic interference, resistance to harsh environments, electrical passivity, and possibility of multiplexing. To date, the R&D (research and development) of novel fiber-based refractometers with advantages of high sensitivity, small footprint and low cost still constitutes the main research topic in refractometric studies. In this thesis, we firstly propose and experimentally demonstrate a fiber-based refractometer for sensing small changes in the refractive index of liquid analytes. The key component of the refractometer is a hollow-core polymer Bragg fiber, which features a large hollow core surrounded by an alternating polymethyl methacrylate (PMMA)/polystyrene (PS) multilayer as a Bragg reflector. This Bragg fiber refractometer operates on a resonant sensing mechanism, namely, variations in the refractive index of a liquid analyte filling the fiber core modify the resonant guidance of the fiber, thus leading to both intensity changes and spectral shifts in the fiber transmission. Both theoretical simulations and experimental characterizations are carried out to verify this resonant sensing mechanism of the proposed Bragg fiber refractometer. Moreover, we present a comprehensive study of the factors that affect the performance of Bragg fiber refractometers. These factors include sensitivity, dynamic range, insertion/coupling loss, response time and dependence of the refractometer sensitivity on the fiber length. We experimentally demonstrate that sensitivity of the Bragg fiber refractometers is very high, and is ~1400 nm/refractive index unit (RIU) which is comparable to that of the microstructured-fiber-based refractometers and surface-plasmon-resonance-based refractometers. We also note that such a sensitivity is equivalent to a refractometer resolution of ~7×10-5 RIU, assuming that 0.1 nm spectral shift can be accurately measured (0.1 nm is the typical resolution


identifier: Cevik, M. (2013). Axial Compressor Gas Path Design for Desensitization of Aerodynamic Performance and Stability to Tip Clearance  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le jeu d'aube est l'espace entre le bout du rotor en mouvement et le carter stationnaire d'une turbomachine. Dans un compresseur l'écoulement qui traverse ce jeu, dû à la différence de pression entre l'intrados et l'extrados de l'aube, a un impact majeur et généralement négatif sur la performance (rapport de pression et rendement) et la stabilité aérodynamique (marge contre le décrochage) du compresseur. Une augmentation du jeu d`aube, soit temporaire durant les phases d'opération transitoires, soit permanente due à l'usure, entraîne une perte de la performance et stabilité aérodynamique du compresseur et par conséquent une augmentation de la consommation de carburant et une diminution de l'enveloppe d'opération de la turbine à gaz. Bien que beaucoup de recherche a été fait pour améliorer la performance et stabilité aérodynamique des compresseurs à la valeur de design (minimale ou nominale) du jeu d'aube, très peu a été fait sur la réduction de la sensibilité de ces paramètres à l'augmentation de ce jeu. Le développement de technologies permettant de contrer cet effet mènera à des moteurs d'avion dont la performance et l'enveloppe d'opération seront plus robustes aux demandes opérationnelles et à l'usure. Ce projet est la seconde phase d'un programme de recherche pour développer des stratégies de conception pour réduire la sensibilité de la performance et stabilité aérodynamique des compresseurs axiaux au jeu d'aube. La première phase avait porté sur des stratégies de conception d'aubes et avait mené à la découverte et l'explication de deux caractéristiques de l'écoulement permettant de réduire cette sensibilité, soit une augmentation de la quantité de mouvement méridionale entrant au bout du rotor et la réduction ou l'élimination du double écoulement de jeu. Le double écoulement de jeu est l'écoulement qui sort d'un jeu d'aube et entre dans le jeu de l'aube adjacente au lieu de convecter en aval hors du passage d'aube. Cet écoulement a un effet très négatif sur la performance et la stabilité aérodynamique du compresseur. Deux stratégies de conception impliquant le fléchissement et l'angle de décalage des aubes avaient été proposées et démontrées par simulations numériques pour exploiter ces deux caractéristiques de l'écoulement afin de réduire la sensibilité. En tant que deuxième phase du programme de recherche, les objectifs de ce projet sont de développer des stratégies de conception de la veine gazeuse pour les compresseurs axiaux pour arriver à ce même objectif, pour évaluer la possibilité de les combiner avec les stratégies de conception d'aubes de compresseurs axiaux pour une meilleure désensibilisation et la possibilité  ABSTRACT: Tip clearance is the necessary small gap left between the moving rotor tip and stationary shroud of a turbomachine. In a compressor, the pressure driven flow through this gap, called tip clearance flow, has a major and generally detrimental impact on compressor performance (pressure ratio and efficiency) and aerodynamic stability (stall margin). The increase in tip clearance, either temporary during transient engine operations or permanent from wear, leads to a drop in compressor performance and aerodynamic stability which results in a fuel consumption increase and a reduced operating envelope for a gas turbine engine. While much research has looked into increasing compressor performance and stall margin at the design (minimum or nominal) tip clearance, very little attention has been paid for reducing the sensitivity of these parameters to tip clearance size increase. The development of technologies that address this issue will lead to aircraft engines whose performance and operating envelope are more robust to operational demands and wear. The current research is the second phase of a research programme to develop design strategies to reduce the sensitivity of axial compressor performance and aerodynamic stability to tip clearance. The first phase had focused on blade design strategies and had led to the discovery and explanation of two flow features that reduces tip sensitivity, namely increased incoming meridional momentum in the rotor tip region and reduction/elimination of double leakage. Double leakage is the flow that exits one tip clearance and enters the tip clearance of the adjacent blade instead of convecting downstream out of the rotor passage. This flow was shown to be very detrimental to compressor performance and stall margin. Two rotor design strategies involving sweep and tip stagger reduction were proposed and shown by CFD simulations to exploit these features to reduce sensitivity. As the second phase, the objectives of the current research project are to develop gas path design strategies for axial compressors to achieve the same goal, to assess their ability to be combined with desensitizing axial compressor blade design strategies and to be applied to non-axial compressors. The search for gas path design strategies was based on the exploitation of the two flow desensitizing features listed above. Two gas path design strategies were proposed and analyzed. The first was gas path contouring in the form of a concave gas path to increase incoming tip meridional momentum.


identifier: Horel, F. (2013). Modélisation analytique de l'amortissement des poutres composites sandwich contenant des couches viscoélastiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les structures composites, telles que les fuselages d'avions, faites de panneaux composites sandwichs sont sujets à des vibrations nuisibles sources de bruit et de défaillances mécaniques. Contrôler l'amortissement de ces structures est essentiel. Les méthodes de contrôle passif par insertion d'un matériau viscoélastique entre les plis des peaux peuvent résoudre le problème dès la phase de conception. Plusieurs études expérimentales ont prouvé l'efficacité des couches viscoélastiques, mais aucun modèle analytique ne détermine leur impact sur l'amortissement de la structure. Ce travail traite de la modélisation analytique d'une poutre sandwich viscoélastique avec des peaux anisotropes en composite stratifié et un coeur en nid d'abeille. Des couches viscoélastiques, totales ou partielles, sont insérées entre les plis des peaux; leur nombre, leurs positions et leurs dimensions peuvent varier. Le nid d'abeille est modélisé par une théorie dérivée du modèle de Timoshenko incluant le cisaillement transverse. Les énergies cinétiques et potentielles des peaux sont quant à elles obtenues à partir de la théorie classique des stratifiés. L'énergie dissipée par le matériau viscoélastique est déduite de l'expression de son angle de cisaillement. Son comportement viscoélastique, ainsi que celui du nid d'abeille, est modélisé par un module de Coulomb complexe constant. Les équations de mouvement de la poutre sont obtenues par les équations de Lagrange. La méthode des modes assumés est employée pour discrétiser le déplacement transversal de la poutre, le déplacement longitudinal des peaux, et le cisaillement du nid d'abeille. Les fréquences naturelles et facteurs de perte sont alors obtenus par résolution du problème aux valeurs propres. Puisqu'il n'existe que peu de données fiables d'amortissement de telles structures, une première validation par la littérature est faite pour une poutre sandwich viscoélastique sans coeur en nid d'abeille. Pour remédier à ce manque de données, un panel de poutres sandwichs viscoélastiques avec différentes caractéristiques est fabriqué. Un banc d'essai et une méthode de traitements des données ont été développés, puis validés par une étude de fiabilité et de répétabilité. Les données expérimentales sont obtenues pour des conditions aux limites encastrées-libres en excitant près de l'encastrement à l'aide d'un marteau d'impact. La réponse vibratoire est mesurée par un vibromètre laser.  ABSTRACT: Composite structures, such as aircraft cabins, made of sandwich composite panels are subject to vibration causing noise and mechanical failure. Controlling the damping of these structures is essential. For this purpose, passive control by insertion of viscoelastic material between face sheet layers can be provided at the design stage. Various experimental studies have proved the effectiveness of viscoelastic layers, but no analytical model can predict their impact on the damping of the structure. This paper deals with the analytical modeling of a viscoelastic sandwich beam with anisotropic composite laminated faces and a honeycomb core. Full or partial viscoelastic layers are inserted between the layers of the face sheets; their number, location and dimensions are varied. A theory based on the Timoshenko model including the transverse shear is used to model the honeycomb behaviour. Kinetic and potential energies of the face sheet layers are obtained using the classical laminate theory. The energy dissipated by the viscoelastic material is derived from the expression of its shear angle. The viscoelastic behaviour, as well as that of the honeycomb, is modeled using a constant complex modulus. The governing equation of the beam is derived from the Lagrange's equation. Assumed-modes method is applied for discretizing the transverse displacement of the beam, the longitudinal displacements of the face sheet layers, and the shear deformation of the honeycomb. With this model, the natural frequencies and loss factors can be obtained by solving the eigenvalue problem. Because there are no such general solutions presented in the literature, a first validation is done for viscoelastic sandwich beams without honeycomb core (literature). Then, to address this lack of data, several viscoelastic sandwich beams with different characteristics were constructed. A test bench and a method of data processing were developed and validated by a study of reliability and repeatability. Experimental data are obtained for clamped/free boundary conditions in exciting near the clamped area using an impact hammer. The vibrational response is measured with a laser vibrometer. Natural frequencies were obtained experimentally by modal analysis, and loss factors were identified either by the classical method of the half-power bandwidth or by using a homemade curve fitting method Natural frequencies and loss factors obtained by simulations from the model are compared with experimental results. The very good agreement between the results shows that the model is reliable.


identifier: Saulnier, J. (2013). Étude comparative du travail du directeur artistique, du concepteur-rédacteur et de l'ergonome dans les projets de développement de produits Web et applicatifs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La norme ISO 9241-210 définit plusieurs activités à mettre en œuvre pour la conception centrée utilisateur (CCU) des interfaces humain-ordinateur. Or, dans le domaine du Web en particulier, ces activités sont souvent effectuées par une équipe pluridisciplinaire composée de différents professionnels, incluant entre autres le directeur artistique (DA), le concepteur-rédacteur (CR) et l'ergonome des interfaces (EI). Le problème est qu'il existe une grande confusion quant aux rôles, activités, responsabilités, compétences, attentes envers autrui, et livrables attendus de chaque catégorie de professionnels. Notre étude a pour but de réduire la confusion reliée aux rôles et aux contributions, en clarifiant la contribution de chacun. Nous espérons qu'elle contribuera ainsi à ce que chacun des membres de l'équipe puisse mieux comprendre le travail des autres, mieux connaître ce que les autres attendent de son propre travail, et collaborer avec eux de façon plus harmonieuse. Pour atteindre ce but, nous avons mené une étude comparative portant sur les rôles, activités, responsabilités, compétences (perçues), attentes envers autrui, livrables attendus et sources de conflits de chaque catégorie de professionnels dans le processus de développement de produits Web et applicatifs. Dans le cadre de cette étude, nous avons :  • examiné la documentation disponible sur le travail et la formation générale des trois types de professionnels; • analysé 31 affichages de postes pour la région de Montréal à partir des sites Infopresse, Indeed, Grenier aux emplois, Monster et LinkedIn (durant les mois de décembre 2012, janvier et février 2013);  • collecté des données au moyen d'un questionnaire et d'entrevues auprès de 10 DA, sept CR et 10 EI portant sur plusieurs aspects du travail de ces professionnels. Les résultats obtenus nous ont permis de faire plusieurs constats. Le premier est qu'il y existe une mauvaise compréhension de l'industrie quant à la formation requise pour les professions de CR et de EI. Le deuxième est que, malgré le fait qu'en général les participants à notre étude affirment avoir un bon niveau de compréhension des activités accomplies par les autres, les résultats nous démontrent le contraire. Par exemple, les DA mentionnent avoir un niveau élevé de compréhension des activités accomplies par les EI, mais ils n'ont identifié que 15 des 31 activités reconnues pour cette catégorie de professionnels. Les CR mentionnent aussi avoir un niveau élevé de compréhension des activités accomplies par les DA, mais ils n'ont identifié que 11 des 19 activités reconnues pour cette catégorie de professionnels. Le quatrième constat est que les différents professionnels ne sont pas sollicités également aux mêmes phases de la démarche. Les DA et les CR sont sollicités davantage durant les phases de conception et de production, tandis les EI sont sollicités durant les phases de planification, conception et validation. Le cinquième constat est que, dans certains cas, la qualification est déficiente. Pour les DA, une formation de base en programmation, en accessibilité et en ergonomie serait bénéfique. Pour le CR, une formation en rédaction axée sur les médias numériques et une formation sur l'utilisation des mots-clés seraient bénéfiques. Pour les EI, une formation en technique de recherche, en graphisme, en programmation et en présentation orale serait utile. Le sixième constat est que malgré l'existence d'une base de collaboration entre les professionnels, principalement entre les DA et le CR, on est davantage dans un contexte de travail pluridisciplinaire qu'interdisciplinaire. En effet, les activités sont réalisées, le plus souvent, de façon séquentielle laissant ainsi peu de place à l'interaction entre les professionnels. Finalement, le septième constat est l'aspect parfois conflictuel de la collaboration entre ces types de professionnels. Les principales sources de conflits émanent de la définition imprécise des rôles de chacun et de la non-reconnaissance du domaine d'expertise de chacun. Au terme de cette étude, nous formulons une proposition de travail pour le développement d'une co-conception négociée entre les DA, les CR et les EI. Cette proposition s'articule autour de six thématiques : définir les rôles de chaque catégorie de professionnels et planifier les activités à accomplir, discuter des « allant-de-soi » individuels lors de la rencontre de démarrage du projet afin d'obtenir un consensus, identifier les domaines d'expertise de chaque catégorie de professionnels, développer un langage commun, documenter le service à fournir au client et finalement trouver un mécanisme décisionnel formalisé et efficace. Par exemple, il serait judicieux de définir les critères pour juger de la valeur d'un livrable et surtout les communiquer à l'ensemble des intervenants. Ces critères servent de grandes orientations qui permettraient aux acteurs d'évaluer les solutions non pas avec leurs points de vue, mais bien sur des critères communs.  ABSTRACT: The ISO 9241-210 standard specifies a number of activities for user-centered design (UCD) of human-computer interface. As it is especially the case in the Web-related field, these activities are often performed by a multidisciplinary team of professionals that includes the Art Director (AD), the Copywriter (CW) and the Interface Ergonomist (IE). The main problem resides in the tremendous confusion about the roles, activities, responsibilities, skills, expectations of others and expected deliverables as it relates to each category of professionals. The purpose of our study was to clearly define the contribution of each individual, thus eliminating this confusion, to help ensure that each team member better understands the work of others, as well as the expectations they have of his or her own work, and can work with others in a more cooperative and harmonious manner. To achieve this goal, we have conducted a comparative study on roles, activities, responsibilities, (perceived) skills, expectations of others, expected deliverables and sources of conflict for each category of professionals as it relates to Web and application product development.  To that end we have:  • Reviewed available documentation relating to the work and academic training of all three different categories of professionals; • Analyzed 31 Montreal-area job postings from the following websites: Infopresse, Indeed, Grenier aux emplois, Monster and LinkedIn (for December 2012, January and February 2013); • Collected data by means of a questionnaire and interviews focusing on many aspects of the work performed by these professionals. Overall these undertakings enabled us to make several observations, the first of which is the existence of an industry-wide misunderstanding of the training required for CW and EI occupations. The second is that while professionals generally claimed to possess a good understanding of the activities performed by other categories of professionals our results clearly demonstrate otherwise. For example, although ADs claimed to have an excellent understanding of activities performed by IEs they only identified 15 out of the 31 recognized activities for this type of professionals. Conversely, while CWs claimed to have an excellent understanding of activities performed by ADs they only identified 11 out of the 19 recognized activities for this type of professionals. The third finding is the lack of consistency in which phase of the process the different types of professionals are called upon. The ADs and the CWs are most often called in during the design and production phases, whereas the IEs are involved during the planning, design and validation phases. It is interesting to note that in the course of the design phase all types of professionals have essentially the same number of activities to perform (AD - nine, CW - seven, IE - eight). The fifth observation is that in some cases professional qualifications are inadequate. Basic programming, accessibility and ergonomics training would be beneficial to ADs. Digital media-focused writing and keyword usage training would be beneficial to CWs. Search technique, graphic design, programming and oral presentation skills training would be beneficial to IEs.  The sixth finding is that while a certain level of cooperation does exit between the different types of professionals, it is far more multidisciplinary than interdisciplinary. Therefore, this study highlights the fact that because many activities are performed sequentially there's little room for true cooperation. The seventh and last finding is the sometime factious cooperation between the different categories of professionals. The main sources of conflict are mostly associated with the lack of clarity regarding individual roles rather than the lack of recognition of individual areas of expertise. We conclude our research by putting forward a proposal on the development of a negotiated co-design approach focusing on the following six elements: role definition and planning of required activities; discussion about individual “assumptions” during the project's start-up meeting to achieve consensus; identification of distinctive fields of expertise for each type of professionals; development of a common language; use of an interface specification or requirement document, or simple annotation of interface schematic diagrams to document the service to be provided to the client; and lastly, formulation of a formalized and efficient decision-making process.


identifier: Lefrançois, A. (2013). Évaluation de la sécurité sismique des prises d'eau en béton  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire de maîtrise présente une méthodologie pour évaluer la sécurité sismique des structures de prise d'eau en béton de centrales hydroélectriques typiques. Les prises d'eau se caractérisent par de grands vides pour les conduites noyées dans le béton. Dans la pratique, la formulation Westergaard (WF), supposant une paroi rigide verticale, est souvent utilisée pour représenter les pressions hydrodynamiques. Toutefois, la validité de la WF pour les prises d'eau n'a pas été abordée dans le passé. Une analyse paramétrique est réalisée ici à l'aide de quatre structures hautes de 40 m avec un indice de vide de l'ouverture amont, χ, allant de 0% à 30% de la surface du béton en contact avec de l'eau. Des modèles d'éléments finis en trois dimensions (FEM) avec des éléments de fluides potentiels incompressibles sont utilisés lors d'analyses stationnaires et transitoires sismiques incluant l'interaction fluide-structure (FSI) de l'eau dans la conduite forcée ainsi que du réservoir. Des facteurs de modification qui dépendent du paramètre χ sont dérivés de la FEM 3D de telle sorte qu'une formulation modifiée Westergaard (WMF) est proposée pour représenter de façon adéquate la FSI. Des modèles structuraux simplifiés utilisant des éléments poutre-poteau incluant l'influence des ouvertures sur les propriétés structurales aux sections ainsi que la formulation WMF sont utilisés comme une alternative efficace aux analyses complexes 3D d'éléments finis. Des séismes possédant une période de retour de 200 à 10 000 ans sont utilisés pour évaluer la sécurité sismique d'une prise d'eau. Les forces internes et les glissements résiduels sont calculés.  ABSTRACT: This master thesis presents a methodology to assess the seismic safety of concrete gravity water intake structures of typical hydroelectric facilities. Water intake structures are characterized by large voids for the gates and penstock embedded in concrete. In practice, the well-known Westergaard formulation (WF), assuming a vertical rigid wall, is most often used to represent hydrodynamic pressures. However, the validity of the WF for water intake structures has not been addressed in the past. A parametric analysis is performed herein using four 40m high intake structures with upstream opening void ratio, χ, ranging from 0% to 30% of the concrete surface in contact with water. Three-dimensional finite element models (FEM) with potential-based incompressible fluid elements are used in steady-state and transient seismic fluid-structure interaction (FSI) analyses to consider water in the penstock as well as in the reservoir. Modification factors which depend on χ are derived from the 3D FEM such that a Westergaard modified formulation (WMF) is proposed to represent adequately FSI. Simplified structural models using beam-column elements with section properties accounting for the presence the penstock opening and the proposed WMF are used as an efficient alternative to complex 3D FEM. A seismic safety assessment of an intake considering ground motions of return periods ranging from 200 to 10,000 years are used to assess the safety level of the intake structure.


identifier: Lhachemi, H. (2013). Synthèse et validation d'un système de commandes de vol robuste et autoséquencé  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La synthèse des systèmes de commandes de vol demeure un problème complexe soumis à de multiples contraintes d'architecture, de performances et de processus de certification. Les contrôleurs doivent assurer la stabilité et les performances de l'avion dans toute l'enveloppe de vol, et ce en dépit des erreurs de modélisation, des incertitudes paramétriques (masse, centrage, coefficients aérodynamiques) et des perturbations.Du fait du caractère hautement non linéaire de la dynamique de l'avion et de sa forte sensibilité vis-à-vis de la condition de vol, les paramètres du contrôleur doivent être soigneusement ajustés en fonction du point d'opération courant de l'avion. Parmi les solutions proposées dans la littérature, la technique dite du séquencement des gains demeure la plus populaire dans le domaine de l'industrie aéronautique. De plus, il est courant de privilégier des architectures de contrôle classiques dérivées de l'expérience des avionneurs. L'objectif de ce projet de recherche est de développer une méthode visant à synthétiser un système de commandes de vol robuste et autoséquencé à architecture fixe. La problématique ainsi définie se situe au confluent de trois domaines de l'Automatique : la synthèse à architecture fixe par retour de sortie, la commande robuste et le contrôle de systèmes LPV via la méthode du séquencement des gains. Dans une première partie, on s'attache à développer un modèle non linéaire de la dynamique de l'avion en tâchant de prendre explicitement en compte l'influence de la masse et du centrage. Ce modèle est ensuite linéarisé dans le cadre du vol en croisière autour d'un point d'équilibre. A cet effet, un modèle numérique du Fighting Falcon F-16 est développé pour analyser l'influence de la masse et du centrage sur la dynamique de l'avion.  ABSTRACT: Flight control system development remains a very challenging issue due to architectural complexity, stringent performance requirements, and strict certification processes. Such control systems must ensure the global stability and the required performance within the whole flight envelope, even in the presence of modeling errors, parametric uncertainties, environmental fluctuations, and disturbances. As the dynamic behavior of an aircraft is highly nonlinear and varies significantly with the fight condition, controller parameters must be adequately adjusted based on the operating point. Among the viable solutions for this purpose, one can find gain-scheduling control, which is one of the most well-known techniques widely adopted in aerospace industry. In addition, it is of practical interest from an industrial point of view to leverage the legacy accumulated in the past by imposing a priori the controller structure based on classical flight control system architectures. The present research project aims at developing a procedure for the design and the validation of robust gain-scheduled flight control systems with a fixed structure. This problem is located at the junction of three topics in control, namely synthesis of fixed-structure control systems, robust control, and LPV systems control in the gain-scheduling framework. In the first phase of this research project, a nonlinear dynamic model of an aircraft that explicitly takes into account mass and center of gravity (CG) position is established. This model is linearized around a trim condition in cruise flight. A numerical model of the F-16 Fighting Falcon is then derived and the impact of mass and CG position variations on the aircraft dynamics is analyzed.


identifier: Holmes, B. (2013). Automated Refueling Simulations of a CANDU for the Exploitation of Thorium Fuels  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réacteurs nucléaires CANDU ont la caractéristique unique de pouvoir utiliser et exploiter différentes options ou choix de combustibles afin de produire de la puissance électrique utilitaire. Le Thorium, un isotope fertile naturel, est une option qui doit être explorée. Le thorium est plus abondant que l'Uranium, qui est le combustible type actuellement utilisé. De plus, le Thorium est disponible dans de nombreux pays qui désirent développer l'énergie nucléaire. Ce document est l'aboutissement d'un projet qui explore, teste et analyse la faisabilité de l'utilisation du thorium dans un réacteur CANDU. Dans le cadre de ce projet, nous avons premièrement développé un ensemble de calculs de réseau bidimensionnels et de calculs de mécanismes de réactivité tridimensionnels en utilisant le code DRAGON4. Cette étape est répétée pour plusieurs concentrations de thorium. Les données générées par ces calculs sont par la suite utilisées pour déterminer un enrichissement opérationnel du thorium. Cette recherche est effectuée par une procédure d'élimination et d'optimisation de certains paramètres clés incluant, mais non limité, au burnup moyen et à l'évolution de la réactivité. À cette fin, le projet a permis de déterminer qu'un enrichissement de 1 % du thorium était viable. Les calculs de coeur complet ont été réalisés par le code DONJON4. Un programme qui simule les opérations de rechargement dans un réacteur CANDU pour ce type de combustible a été développé et a été exécuté pour une période de simulation d'une centaine de jours. Le programme et la sélection en combustible ont satisfait toutes les conditions fixées sur la totalité de la période de simulation. Le programme nécessitera davantage d'optimisation avant qu'il puisse être largement utilisé. La sélection de combustible a également été examinée dans le cas où une insertion de réactivité est simulée. Le retrait de la barre de compensation numéron 11 a été analysé et comparé à un cas classique CANDU antérieur afin de s'assurer de l'absence de déviations ou d'évolutions indésirables. Dans ce cas, les résultats de la simulation ont été trouvés acceptables, sans déviations sensibles par rapport au cas classique CANDU.  ABSTRACT: CANDU nuclear reactors are in a unique circumstance where they are able to utilize and exploit a number of different fuel options to provide power as a utility. Thorium, a fertile isotope found naturally, is one option that should be explored. Thorium is more abundant than uranium, which is the typical fuel in the reactor and the availability of thorium makes nuclear energy desirable to more countries. This document contains the culmination of a project that explores, tests, and analyzes the feasibility of using thorium in a CANDU reactor. The project first develops a set of two-dimensional lattice and three dimensional control rod simulations using the DRAGON Version 4 nuclear physics codes. This step is repeated for many concentrations of thorium. The data generated in these steps is then used to determine a functional enrichment of thorium. This is done via a procedural elimination and optimization of certain key parameters including but not limited to average exit burnup and reactivity evolution. For the purposes of this project, an enrichment of 1 % thorium was found viable. Full core calculations were done using the DONJON 4 code. CANFUEL, a program which simulates the refueling operations of a CANDU reactor for this fuel type was developed and ran for a simulation period of one hundred days. The program and the fuel selection met all selected requirements for the entirety of the simulation period. CANFUEL requires optimization for fuel selection before it can be used extensively. The fuel selection was further scrutinized when a reactivity insertion event was simulated. The adjuster rod 11 withdrawal from the core was analyzed and compared to classical CANDU results in order to ensure no significant deviations or unwanted evolutions were encountered. For this case, the simulation results were deemed acceptable with no significant deviations from the classical CANDU case.


identifier: Aubin, A. (2013). Analyse de la formation des phases du système cuivre-germanium par diffraction des rayons X sur des échantillons d'épaisseur nanoscopique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Avec la miniaturisation incessante des circuits dans le domaine de la microélectronique, pour des raisons de performance et de diminution de coûts, de nouveaux matériaux doivent être introduits dans leur fabrication pour pallier différents problèmes. La liste des défis à relever pour l'avancement de l'industrie de la microélectronique est tenue par l'ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), qui met à jour régulièrement les pistes de solution envisagées pour chacun des domaines d'intérêt dans la fabrication de circuits intégrés, que ce soit la métallisation globale ou locale, la largeur de la grille des transistors, l'épaisseur de l'isolant de la grille et les matériaux la constituant, etc. Un des défis majeurs pour les prochaines générations de dispositifs microélectroniques est de développer un nouveau matériau pour remplacer le cuivre dans les interconnexions globales et locales, le cuivre étant actuellement le principal matériau conducteur utilisé dans les interconnexions des dispositifs de dernière génération. Aux dimensions de dispositifs à venir, le cuivre possède certains désavantages liés à sa grande diffusivité dans le silicium, ce qui force l'utilisation de barrières de diffusion d'une épaisseur minimale excessive dans les dispositifs récents. Un des matériaux prometteurs pour remplacer le cuivre est en fait un des composés binaires du système cuivre-germanium, soit la phase ε1-Cu3Ge. À l'époque où l'industrie cherchait un remplaçant à l'aluminium dans les interconnexions dans les années 1990, des travaux avaient révélé sa très faible résistivité d'environ 5.5μΩ∙cm à la température de la pièce [1], sa stabilité en contact avec le silicium et l'oxyde de silicium [2] et sa stabilité aux cours de recuits [3]. À l'époque, le cuivre avait été choisi à cause de son avantage au niveau de ses performances électriques dues à sa très faible résistivité de 1.68μΩ∙cm à la température de la pièce[4]. L'objectif de ce mémoire est d'étudier plus en détail la formation des phases du système cuivre germanium, et plus précisément la phase ε1-Cu3Ge, pour des applications dans l‟industrie de la microélectronique. Les tests effectués reposent sur l'utilisation de trois techniques de diffraction des rayons X avec source synchrotron, soit la diffraction des rayons X in situ pendant recuit avec mesure simultanée de la résistance par une sonde à quatre pointes, dans le but d'analyser la formation des phases, les balayages θ-2θ pour obtenir les pics de diffraction des phases présentes sur une large plage d'angles de diffraction suite à des trempes et finalement la  ABSTRACT: With the miniaturization of electronic devices, driven by cost reduction and performance increase, new materials have to be introduced in their fabrication process to solve many emerging problems. These challenges are brought forth by the ITRS (International Technology Roadmap for Semiconductors), a comity in charge of listing the technological needs for the upcoming generations of integrated circuits. Many fields of interest require new technological developments, from global to local interconnections, the transistor gate, the gate insulator thickness, etc. One of the major challenges mentioned in the ITRS roadmap is the need for a new interconnection material. Indeed, the need for a diffusion barrier for the copper lines in local and global interconnections of integrated circuits, the main technology in today‟s devices, is becoming more hindering with the decrease of the metallization lines‟ cross-section. In the 90‟s, a binary compound of copper and germanium, known as the ε1-Cu3Ge phase, was investigated as a replacement for aluminum because of its low resistivity, that can reach as low as 5.5μΩ∙cm [1], its stability in contact with both silicon and silicon oxide [2] as well as its thermal stability during anneals [3]. However, copper proved to be a better choice at the time because of its low bulk resistivity of 1.68μΩ∙cm at room temperature[4]. The objective of this master thesis is to re-examine the copper-germanium system, and more specifically the ε1-Cu3Ge, for future applications in the microelectronics industry. Different X ray diffraction techniques were used to obtain more information on the system, including in situ X ray diffraction during 3°C/s anneals in an inert helium atmosphere with simultaneous resistance measurement, θ-2θ scans to detect diffraction peaks of the present phases after sample quenching as well as partial acquisition of the reciprocal space of quenched samples which allowed to obtain pole figures for d-spacings of interest. Results obtained on germanium and copper bilayers of total thicknesses between 20nm and 89nm deposited on an inert silicon nitride layer using magnetron sputtering in an MRC-673 show that with an atomic copper concentration between 72 and 87%, the ε1-Cu3Ge phase starts to form between 180°C and 210°C during a 3°C/s ramp anneal. At 72% at. copper (50nm thickness) and 75% at. copper (20nm thickness), the ε1-Cu3Ge phase is stable above 500°C. However, the measured resistance of the 50nm sample is low between 220°C and 500°C while


identifier: Desrochers-Perrault, F. (2013). Analyse biomécanique d'instrumentations du rachis scoliotique avec vis iliaques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose neuromusculaire est une déformation de la colonne vertébrale souvent associée à une déformation et une inclinaison du bassin. Dans les cas sévères, le traitement favorisé consiste en une chirurgie d'instrumentation du rachis et du bassin permettant de redresser la colonne vertébrale et de freiner la progression de la déformation. Une longue instrumentation sur plusieurs niveaux vertébraux avec fixation sur les os iliaques permet d'ancrer la structure et de faciliter la correction de l'inclinaison pelvienne. Toutefois, ces fixations iliaques sont soumises à de grandes charges générées pendant et après l'opération pouvant causer des complications. Plusieurs types de fixation iliaque ont été développés, mais la technique actuellement favorisée par les chirurgiens est l'utilisation de vis iliaques. Les vis iliaques sont considérées comme une alternative plus simple et plus sécuritaire que les tiges Galveston anciennement considérées comme le standard des fixations iliaques. Malgré tout, certains risques de défaillance demeurent. En effet, des complications directement reliées à l'utilisation de vis iliaques, telles que le désengagement des tiges et le retrait des vis, ont été observées. Les grands efforts générés sur ces implants sont certainement une cause de ces complications. Certains paramètres de la chirurgie d'instrumentation avec vis iliaques, tels que le point d'insertion, le diamètre, la longueur des vis, l'utilisation de vis sacrées et de connecteurs latéraux et transversaux, sont variables et peuvent influencer les efforts générés aux vis. L'influence de certains de ces paramètres a été évaluée à travers différentes études sur des bassins cadavériques ou synthétiques. Toutefois, ces études ne permettent pas d'évaluer l'influence combinée de plusieurs paramètres sur un même patient. L'objectif général de ce projet est donc d'analyser la biomécanique d'instrumentation avec vis iliaques pour la correction de la scoliose afin d'améliorer les stratégies d'instrumentation pour minimiser les efforts sur les vis et le bassin, ce qui permettrait de réduire les risques de complications associées à la défaillance de l'implantation de vis iliaques. Dans un premier temps, une technique de modélisation numérique multi-corps 3D a été développée et ensuite utilisée pour créer des modèles biomécaniques du rachis personnalisés à partir des radiographies de six patients atteints d'une scoliose neuromusculaire corrigée par une instrumentation allant jusqu'au bassin. Les propriétés mécaniques du rachis ont été tirées de la littérature et personnalisées à partir du test d'inflexion latérale. Les composants des implants ont été modélisés comme des corps rigides reliés par des liaisons cinématiques et les tiges comme  ABSTRACT: Neuromuscular scoliosis is a deformity of the spine frequently associated with pelvic inclination and deformation. In severe cases, the preferred treatment involves spinal surgery and pelvis instrumentation to straighten the spine and stop the progression of the deformity. Pelvic fixation attached to a long spinal instrumentation is used as an anchor facilitating the correction of the pelvic inclination. However, the iliac fixation is subject to large biomechanical loads generated both during and following surgery. Consequently, failures in spinopelvic instrumentations have been reported and several types of iliac fixation have been developed. Currently the preferred technique is the use of iliac screws, which are considered safer and simpler than the standard Galveston technique. However, some complications directly related to the use of iliac screws, such as rod disengagement and screw loosening, have been observed. Loads generated on implants are certainly an important cause of fixation failure. Some instrumentation factors, such as the insertion point, the diameter and the length of the screws, the use of sacral screws, lateral connectors and cross-rod connectors, can influence the loads generated on iliac screws. The influence of some of these parameters was evaluated through experimental studies. However, none of these studies analyzed the combined influence of several variables for the same patient. The overall objective of this project was to biomechanically analyze scoliotic instrumentation in combination with iliac screws to improve instrumentation strategies and minimize loads generated on both the screws and pelvis. Thus, reducing the risk of complications associated with iliac screw related failures. First, a 3D flexible multi-body modeling technique was developed to biomechanically create patient-specific models of six patients with neuromuscular scoliosis corrected with instrumentation including iliac screws. The spinopelvic mechanical properties were defined using data reported in the literature and personalized to each patient via lateral bending tests. Implant components were modeled as rigid bodies connected by kinematic joints and rods were modeled as flexible beams. Surgical maneuvers were modeled and simulated to reproduce surgery for the six cases. Loads generated on iliac screws were evaluated throughout the simulations. The gravitational forces along the longitudinal axis were applied and functional loadings were simulated in order to evaluate the loads generated on the screws following surgery.