identifier: Arias Herrera, A. M. (2014). Development of Natural Fiber Reinforced Polylactide-Based Biocomposites  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le polylactide ou PLA est un polymère biodégradable qui peut être produit à partir de ressources renouvelables. Ce polyester aliphatique présente de bonnes propriétés mécaniques similaires à celles du polyéthylène téréphtalate (PET). Depuis 2003, du PLA à haut poids moléculaire est produit à l'échelle industrielle et commercialisé sous forme de grades amorphes et semicristallins pour diverses applications. L'amélioration de la cinétique de cristallisation du PLA est cruciale pour que ce biopolymère devienne compétitif face aux plastiques issus du pétrole et puisse les remplacer. D'autre part, la combinaison de fibres naturelles avec des matrices polymériques issues de ressources renouvelables, afin de produire des polymères composites entièrement biosourcés et biodégradables, a été une tendance marquée dans les activités de recherche au cours de la dernière décennie. Néanmoins les différences liées à la structure chimique, notamment observées dans la nature fortement hydrophile des fibres et le caractère hydrophobe des matrices thermoplastiques, représentent un inconvénient majeur pour les interactions fibre/matrice. Le but de la présente recherche a été d'étudier les interactions intrinsèques fibre/matrice dans des polymères composites issus de fibres naturelles et du PLA, préparés par un mélange à l'état fondu. Des fibres de lin courtes présentant une longueur nominale d'environ 1 mm ont été sélectionnées comme renfort; par la suite, des biocomposites contenant une charge de fibres faible à modérée ont été préparés par mélange direct des fibres avec la matrice à l'état fondu. La rupture des faisceaux de fibres pendant la mise en forme a conduit à d'importantes réductions dans la longueur et le diamètre des fibres. Le rapport de forme moyen a été diminué d'environ 50%. La cinétique de cristallisation au repos du PLA et des systèmes biocomposites a été examinée sous conditions isothermes et non isothermes. La capacité de nucléation des fibres de lin a été démontrée et la cristallisation du PLA a été effectivement accélérée en présence du renfort. Cette amélioration a été de plus contrôlée par la température à laquelle la cristallisation a eu lieu, la transition de la phase liquide à la phase solide étant thermodynamiquement favorisée par le degré de surfusion. Lors de la cristallisation, les propriétés viscoélastiques devraient être fortement influencées par le développement des cristallites et leur empiètement. La rhéométrie a été choisie comme technique appropriée pour étudier l'évolution de la viscosité complexe et des modules de conservation et de perte lors de la cristallisation du PLA et de ses biocomposites. L'optimisation des conditions expérimentales a été nécessaire afin de compenser adéquatement le vi rétrécissement du polymère, qui est un souci majeur pour la reproductibilité des mesures, en particulier à niveaux élevés de surfusion. Cette étude a démontré que la vitesse de cristallisation était accrue en présence des fibres de lin, et ce dans une large gamme de températures de cristallisation. Étant donné que le développement de la cristallisation dans les procédés à échelle industrielle peut différer grandement des études sous conditions au repos, une investigation préliminaire de l'effet de l'écoulement en cisaillement sur la cristallisation du PLA a été entreprise. En utilisant le même intervalle de vitesses de cisaillement, deux ensembles de conditions ont été étudiés, à savoir (1) déformation totale constante, et (2) temps de cisaillement constant. Dans les deux cas, l'accroissement de la cinétique de cristallisation a été démontré par une diminution du temps d'induction, laquelle est devenue plus importante aux vitesses de cisaillement les plus élevés. Environ 75% de réduction du temps d'induction a été observée à 4 s-1, le taux de cisaillement maximal atteint dans cette recherche. La réduction de la taille des particules de cellulose de l'échelle micro à l'échelle nanométrique a également attiré une attention croissante lors de la dernière décennie. Les réseaux bien dispersés de fibres nanométriques dans des matrices polymères peuvent apporter des améliorations extraordinaires dans la résistance du matériau et modifier les interactions particule/polymère au niveau moléculaire. En conséquence, la cristallisation peut être favorisée à très basses concentrations de renfort. Il est bien connu que la dispersion des nanocristaux de cellulose (NCC) dans les systèmes non aqueux est un défi majeur pour développer davantage ces promesses nanométriques. Dans ce travail, un nouveau procédé composé de deux étapes: le mélange en solution suivi par le malaxage à l'état fondu, a montré d'excellents résultats dans la dispersion de faibles charges de NCC dans le PLA. L'oxyde de polyéthylène (PEO) à bas et haut poids moléculaires a été proposé comme un polymère porteur de nanocristaux et l'encapsulation des NCC dans le PEO a été réussie. La réduction de la taille des agglomérats a été contrôlée par l'augmentation du rapport en poids PEO:NCC. Un effet synergique entre la plastification et le renforcement de la matrice PLA a été clairement mis en évidence par le comportement cristallin des nanocomposites. La méthode de préparation de nanocomposites issus de PLA, NCC et PEO, présentée dans cette thèse, représente un pas en avant dans les applications potentielles de ces nanoparticules dans les matériaux composites verts.  ABSTRACT: Polylactide or PLA is a biodegradable polymer that can be produced from renewable resources. This aliphatic polyester exhibits good mechanical properties similar to those of polyethylene terephthalate (PET). Since 2003, bio-based high molecular weight PLA is produced on an industrial scale and commercialized under amorphous and semicrystalline grades for various applications. Enhancement of PLA crystallization kinetics is crucial for the competitiveness of this biopolymer as a commodity material able to replace petroleum-based plastics. On the other hand, the combination of natural fibers with polymer matrices made from renewable resources, to produce fully biobased and biodegradable polymer composite materials, has been a strong trend in research activities during the last decade. Nevertheless, the differences related to the chemical structure, clearly observed in the marked hydrophilic/hydrophobic character of the fibers and the thermoplastic matrix, respectively, represent a major drawback for promoting strong fiber/matrix interactions. The aim of the present study was to investigate the intrinsic fiber/matrix interactions of PLA-based natural fiber composites prepared by melt-compounding. Short flax fibers presenting a nominal length of ~1 mm were selected as reinforcement and biocomposites containing low to moderate fiber loading were processed by melt-mixing. Fiber bundle breakage during processing led to important reductions in length and diameter. The mean aspect ratio was decreased by about 50%. Quiescent crystallization kinetics of PLA and biocomposite systems was examined under isothermal and non-isothermal conditions. The nucleating nature of the flax fibers was demonstrated and PLA crystallization was effectively accelerated as the natural reinforcement content increased. Such improvement was controlled by the temperature at which crystallization took place, the liquid-to-solid transition being thermodynamically promoted by the degree of supercooling. During crystallization, viscoelastic properties are expected to be strongly influenced by crystallite development and impingement. Rheometry was selected as a suitable technique to study the evolution of complex viscosity and storage and loss moduli during the crystallization of compounded PLA and PLA-biocomposites. Optimization of experimental conditions was needed for achieving the compensation of polymer shrinkage, which was a major concern for the reproducibility of measurements, particularly at high supercooling level. Fruitful information about the enhanced crystallization rate due to the presence of flax fibers in a wide viii range of crystallization temperatures was obtained from this study. Since development of crystallization in industrial processing may differ greatly from quiescent studies, a preliminary investigation of the effect of shear flow on the improvement of PLA crystallization was carried out. Using the same shear rate interval, two different sets of conditions were explored, namely (1) constant total deformation and (2) constant shearing time. In both cases, the crystallization enhancement was evidenced by a decrease in the induction time which became stronger as shear rate augmented. About 75% of reduction was observed at 4 s-1, the maximum shear rate reached in this research. The size reduction of cellulose particles from micro to the nanoscale has also drawn special attention over the last decade. Well-dispersed nanosized fiber networks into polymeric matrices may bring extraordinary strength enhancement and modify the particle/polymer interactions at the molecular level. As a consequence, crystallization may be promoted at considerably low concentrations of reinforcement. It is well-known that dispersion of cellulose nanocrystals (CNC) in non-aqueous systems is a major challenge for further developments. In this work, a novel two-step process involving solvent-mixing and melt-mixing was found to successfully dispersed cellulose nanocrystals at low weight loadings in the PLA matrix. Polyethylene oxide (PEO) of high and low molecular weight was proposed as a polymer carrier for nanocrystals, and the encapsulation of CNC in this polymer was achieved. Reduction of agglomerate size was controlled by the increase of PEO:CNC weight content ratio in the final nanocomposites. A synergistic effect between plasticization and reinforcement of the PLA matrix was clearly evidenced from the crystallization behavior of nanocomposites. The PLA nanocomposite preparation method presented in this dissertation represents a step forward in the potential applications of CNC in green composite materials.


identifier: Adouni, M. (2014). Analyse biomécanique de l'articulation de genou durant la bipédie humaine  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les activités de la vie quotidienne comme la marche et la montée d'escaliers imposent des charges et des mouvements relativement importants sur l'articulation du genou humain. Cette charge mécanique augmente dans de nombreuses tâches professionnelles et récréatives entraînant des blessures et des dégénérescences dans les ligaments, les ménisques, le cartilage et l'os. Toute faiblesse ou modification par rapport à la structure native qui conduit à la dégénérescence dans l'un de ces composants influencent la réponse de l'ensemble du joint et augmente le risque d'autres perturbations. Les gestions efficaces, non-opératoires et post-opératoires des désordres affectant le joint du genou humain exigent une bonne connaissance des distributions des contraintes et des déformations dans les différentes composantes constituant le joint, dans les situations intacte et altérée. Ces valeurs, à leur tour, dépendent fortement non seulement des charges extérieures et des forces d'inertie, mais aussi des activités musculaires à travers le joint. De ce fait la précision dans l'estimation des forces musculaires a une incidence directe sur la fiabilité des contraintes et des déformations prédites dans le joint. Les mesures directes in vivo des contraintes tissulaires et des forces musculaires restent invasives. Par contre la modélisation numérique est reconnue comme un outil complémentaire indispensable pour estimer plusieurs variables d'intérêt. Ainsi, les difficultés techniques rencontrées dans les mesures de mouvements et la considération plus réaliste des charges physiologiques rendent les tests in vitro également limités surtout quand on regarde des variables internes comme les contraintes et les déformations dans les ligaments et le cartilage. Pour atteindre ces objectifs, un modèle éléments finis itératif, contrôlé par les données cinématique et cinétique collectées durant la marche humaine, qui tient compte des structures passives du joint du genou et l'ensemble de la musculature active de l'extrémité inférieure a été utilisé. Dans ce modèle les articulations de la hanche et de la cheville ont été considérées comme des joints rigides simplement sphériques (3D pour la hanche et 2D pour la cheville), alors que l'articulation de genou est représentée sous la forme d'un modèle déformable d'éléments finis non linéaire. Les cartilages et les ménisques constituant le joint ont été modélisés comme des structures composites formées d'une matrice hyper-élastique renforcée par des réseaux non-homogènes de fibre de collagène avec des propriétés mécanique non linéaires.  ABSTRACT: Activities of daily living such as walking and stair climbing impose relatively large loads and movements on the human knee joint. This mechanical burden increases in many occupational and recreational tasks causing injuries and degenerations in joint ligaments, menisci, cartilage and bone. Any failure, degeneration or alteration in one of these components influences the response of the entire joint and likely increases the risk of further perturbations. Effective preventive and conservative/surgical managements of joint disorders depend hence on a sound knowledge of stress and strain distributions in various components under both intact and altered conditions. These values, in turn, are heavily dependent not only on external loads and inertial forces but on muscle activities across the joint. As such, accuracy in estimation of muscle forces has a direct bearing on the reliability of stresses and strains. Since direct in vivo measurements of tissue stresses and muscle forces remain invasive, computational modeling is recognized as a vital complementary tool to estimate multiple variables of interest. Due to technical difficulties in measurements and consideration of physiological loads and motions, in vitro testing is also limited especially when looking for cartilage/meniscus stresses/strains and ligament forces. Towards these objectives, an iterative kinematics-driven FE model that accounts for the passive structures of the knee joint and active musculature of the lower extremity is employed. This model incorporates the hip as 3D and the ankle as 2D spherical joints whereas the knee is represented as a complex FE model with nonlinear depth-dependent fibril-reinforced cartilage and menisci, ligaments with distinct nonlinear properties and initial strains, patellofemoral and tibiofemoral joints. Based on reported in vivo measurements, hip/knee/ankle joint rotations/moments and ground reaction forces at foot during the gait stance phase collected in asymptomatic subjects and subjects with severe knee OA are used to separately model both groups. Analyses are performed at 6 time instances corresponding to beginning 0% (heel strike), 5%, 25%, 50%, 75% and 100% (toe off) of the stance phase. At each stance period, muscle forces at the hip, knee and ankle are predicted using static optimization (sum of cubed muscle stresses) with moment equations as constraints (3 at knee, 3 at hip, and 1 at ankle). The Knee joint response is subsequently analyzed with updated muscle forces as external loads and iterations at deformed configurations continue till convergence is reached.


identifier: Nembot, B. (2014). Réputation des entreprises : une recherche exploratoire sur l'utilisation des données issues de twitter  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La réputation d'une entreprise constitue une importante, voire principale, partie de l'actif immatériel d'une compagnie (De Marcellis-Warin and Teodoresco 2012). La littérature donne de multiples définitions au concept de réputation d'entreprise. Par exemple on peut reprendre celle d'un construit combinant l'image d'entreprise, l'identité d'entreprise et l'identité désirée d'entreprise (Chun 2005). Depuis le début des années 2000, des organisations telles que l'Institut de la Réputation ou encore le magazine Fortune & Money proposent une mesure de la réputation d'entreprise et diffusent annuellement un classement des entreprises selon leur réputation. D'autres organisations s'intéressent à l'évaluation de la valeur de l'image d'entreprise  (appelée équité de marque), telles que Brand-Finance, ou Interbrand. Ces dernières diffusent également un classement annuel des entreprises les plus valorisées au monde. Les résultats présentés dans ce mémoire indiquent que les classements produits par ces institutions sont difficilement interprétables et ne semblent pas présenter de lien direct avec l'évolution du cours de bourse d'une entreprise, pourtant la littérature nous indique que la réputation est positivement corrélée avec le cours de bourse d'une entreprise. De plus, le processus menant à la conception de ces classements peut prendre plusieurs mois de compilation de données et d'analyse. C'est donc dans l'optique de réduire le temps écoulé entre l'enregistrement des performances des compagnies et la conception d'une mesure de la réputation que réside la présente opportunité de recherche : existe-t-il un autre moyen de fournir une mesure de la réputation d'entreprise à une fréquence plus rapprochée que celle offerte présentement (fréquence annuelle)? Serait-ce même possible d'en avoir une mesure en temps réel? Les réseaux sociaux se présentent comme étant un canal de recherche afin d'améliorer la mesure de la réputation d'entreprise si les interactions entre les consommateurs et les entreprises peuvent être analysées, pas seulement qualitativement mais également quantitativement. Twitter de par sa nature, son nombre d'utilisateurs exponentiellement croissant, et l'accès plus ou moins libre aux données circulant sur sa plateforme, semble être le réseau social adéquat pour conduire une recherche de ce type. La nouvelle mesure de réputation présentée par ce travail de recherche est donc basée sur les données récoltées sur Twitter. Les résultats obtenus démontrent que le nombre de « followers » d'une entreprise, ainsi que le volume quotidien de « tweets », sont utiles à la création d'un « proxy » de la réputation d'entreprise. À l'inverse, l'analyse de sentiment sur les tweets ne s'avèrent pas être utile dans la création d'un proxy pour la réputation d'entreprise. De plus, la mesure de réputation conçue à partir de Twitter ne peut capter toute l'essence de la réputation d'entreprise, puisqu'une partie non négligeable de la réputation d'entreprise ne peut être captée par les réseaux sociaux : comme par exemple la loyauté des consommateurs composante de l'image de marque, l'identité d'entreprise ou encore l'identité désirée d'entreprise. Cependant, la nouvelle mesure de réputation permet d'observer l'évolution de la réputation d'entreprise au travers du temps et particulièrement la notoriété d'une entreprise. Il s'agit donc d'un outil complémentaire aux évaluations de réputations existantes.  ABSTRACT: The corporate reputation represents a major part of a company's intangible assets (De Marcellis-Warin and Teodoresco 2012). The literature review has several definitions of the concept of corporate reputation, such as (Chun 2005) who defines corporate reputation as a construct of corporate image, corporate identity, and corporate desired identity. Since the beginning of the 2000's, several institutions such as the Reputation Institute or Fortune & Money magazine offer a measure of corporate reputation and present each year rankings of company based on their corporate reputation. Other institutions, such as Brand-Finance or Interbrand, assess the value of a corporate brand (called brand equity) every year and produce also rankings for the company with the highest brand equity. The results presented in this master thesis indicate that all the rankings produced by the institutions mentioned previously, do not seem to be linked with the stock market. Moreover, the analytical process leading to the rankings can take several months because of the time it takes to gather the data from all the firms. Thus, it is in the context of reducing the time between performance recording companies and the process leading to the measure of corporate reputation that lies this current research opportunity: is there a way to provide an assessment of corporate reputation at a lower frequency than the one currently provided (annual)? Would it be possible to have a real time measure of reputation? Social media are presented as a paging channel to improve the measurement of corporate reputation if the interactions between consumers and businesses can be analyzed not only qualitatively but also quantitatively. Twitter seems to be the adequate social media platform to conduct such a research, because of its exponential growing number of users, and more or less easy access to data diffused on it. The new measure of corporate reputation presented through this research is only based on the data Twitter can offer. The results presented in this master thesis indicate on one hand, that the number of followers of a company and the daily number of tweets are useful in creating a proxy of corporate reputation. On the other hand, the results indicate that sentiment analysis on tweets does not seem to provide useful information for the conception of a proxy of corporate reputation. In addition, the new measure of corporate reputation does not pretend to be able to capture the essence of corporate reputation, since a significant part of the corporate reputation cannot be captured by Twitter: including consumer loyalty component of branding, corporate identity or the desired identity of a company. However, the new measure of corporate reputation enables us to observe the evolution of corporate reputation over time and especially the notoriety of a company. It is therefore a complimentary tool for the assessment of existing reputations, and it is absolutely not a self-sufficient tool.


identifier: El Ouaaid, Z. (2014). L'effet des charges externes sur la biomécanique et la stabilité de la colonne vertébrale en posture debout  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les lésions et les douleurs vertébrales sont parmi les troubles musculo-squelettiques qui touchent l‘ensemble du tronc et notamment les muscles, les disques intervertébraux, les ligaments, les nerfs et les tendons. En conséquence, ces atteintes posent un problème de santé majeur et peuvent conduire à des incapacités physiques et à une augmentation de taux d‘absentéisme élevé en particulier chez la population active en milieu de travail. Ces atteintes représentent alors un défi économique et social non seulement pour les personnes affectées, mais aussi pour toute la société. L‘agent causal le plus rapporté dans la littérature est l‘effort excessif effectué lors des travaux de manutention, qui se traduit par de plus grandes forces sur les différentes structures actives (muscles) et passives (disques, ligaments) de la colonne vertébrale. La manutention d‘une charge excessive est l‘une des principales hypothèses, sur laquelle reposent plusieurs recherches pour donner plus d‘explications sur la cause des lésions vertébrales. En l‘absence de mesures directes de la réponse neuromusculaire et du chargement spinal lors des efforts de manutention, les modèles de la colonne vertébrale sont considérés comme un outil fiable et non-invasif pour étudier les cas critiques lors des travaux de manutention. Ces modèles constituent donc un axe fondamental de recherche pour mettre au point des programmes efficaces de réadaptation et de prévention des affections vertébrales. Dans la littérature, il existe plusieurs équations prédictives permettant d‘estimer de manière simple les forces de compression et de cisaillement agissant sur les centres articulaires lombaires lors des tâches de manutention. Ces équations ont été développées en ayant recours à des modèles biomécaniques, des méthodes d‘optimisation, des études expérimentales d‘électromyographie (EMG) et de la cinématique. Cependant, certains paramètres qui influencent les structures vertébrales active et passive, tel que la rotation pelvienne, la rotation lombaire, la courbure lombaire, la taille de la colonne, les postures asymétriques, etc., ont souvent été négligés. L‘objectif principal de cette étude était d‘évaluer l‘influence de varier la grandeur, la position et l‘orientation d‘une charge externe sur les forces musculaires et les charges internes de la colonne vertébrale lorsque le moment net externe demeure identique à L5-S1. Ainsi, une étude expérimentale d‘EMG et de la cinématique combinée à une deuxième étude de modélisation de la colonne vertébrale a été réalisée pour atteindre cet objectif.  ABSTRACT: Spinal injuries and degeneration are among musculoskeletal disorders (MSDs) which affect especially the muscles, intervertebral discs, facet joints, ligaments, nerves and tendons. The most reported causative agent is lifting and handling of excessive loads in the workplace, during sports or recreational activities. These activities often involve large muscle forces, awkward postures and excessive internal spinal loads that lead to an increase in the risk of back injuries. An accurate assessment of muscle forces and internal loads in the lumbar region under various activities is the focus of research in biomechanics of spine aiming to develop effective treatment, rehabilitation and prevention programs for back injuries. To assist ergonomists and workplace professionals in their decision-making, predictive equations have been developed to predict compressive and shear forces at lumbar joints (L1-S1) during manual lifting tasks. They have been based on musculoskeletal biomechanical models, optimization, regression, electromyography (EMG), kinematics and anthropometric data. However, some important biomechanical parameters that influence the biomechanical behaviors the spine have been neglected. The driving force behind the current study is that trunk muscle activity (EMG), muscle forces and loads at different spinal levels are likely dependent not only on the moments of external loads, but also on the orientation and height of the external loads. Despite similar posture and identical external net moment (at the L5-S1 disc center), changes in magnitude, elevation and direction of applied force vectors could alter the absolute and relative magnitudes of compression, shear and moment loads at different spinal levels with likely consequences on the neuromuscular response. This study has the specific objectives:  to introduce a novel coupled optimization algorithm in kinematics-driven model to estimate both agonist antagonist muscle forces and to identify the role of abdominal muscles in simulating the earlier measurements in upright standing while lifting symmetrically a weight at different heights,  to further investigate neuromuscular response in vivo and by our kinematics-driven model during maximum isometric flexion and extension tasks,  To evaluate in vivo the effect of changes in orientation, position and amplitude of external loads on trunk muscle activity (EMG) and kinematics of 12 subjects in upright standing and under identical moments at the L5-S1, and finally


identifier: Mohammadi, S. (2014). Adapting the Experience Curve for Estimating Biorefinery Costs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le secteur des pâtes et papiers du Canada est aux prises avec des difficultés financières en raison de la diminution de la demande pour les produits papetiers traditionnels, la concurrence accrue provenant des pays à moindre coût de main-d'oeuvre et de matières premières, et l'augmentation des prix de l'énergie. L'intégration de bioraffineries dans ce secteur permettrait de diversifier le portefeuille de produits et les sources de revenus, et améliorer la compétitivité de l'industrie. Cependant l'intégration du bioraffinage soulève des incertitudes quant aux coûts de production. Une mauvaise estimation des coûts du bioraffinage à différents stades de développement (laboratoire, pilote ou démonstration) peut affecter la qualité des décisions prises au sujet de la commercialisation. Toute compagnie papetière a besoin d'évaluer avec précision les coûts de production des candidats au bioraffinage, qui varieront au cours du temps, afin de prendre des décisions éclairées pour l'avenir. L'objectif de cette thèse est de proposer un modèle d'évaluation des coûts des nouvelles technologies de bioraffinage avant et après la commercialisation en s'inspirant de l'approche basée sur la courbe d'expérience, et de l'appliquer ensuite à des études de cas basés sur un procédé de séparation et production de lignine intégré dans une usine de mise en pâte Kraft. La méthodologie utilisée dans cette thèse inclut une revue de la littérature sur les méthodes d'estimation des coûts, sur les courbes d'expérience pour les technologies dans le domaine de l'énergie et sur le bioraffinage forestier, la proposition et l'adaptation d'un modèle d'évaluation de coûts de bioraffinage, l'application de ce modèle à des études de cas de bioraffinage basé sur la valorisation de la lignine. L'application à des études de cas inclut une analyse par large blocs (LBA), l'évaluation des facteurs de sous-estimation et de réduction des coûts, et leur utilisation dans le modèle basé sur les courbes d'expérience. Les facteurs fondamentaux qui influent sur les coûts avant et après la commercialisation des produits de bioraffinage ont été identifiés. Les facteurs influençant le coût de production lors de la mise à l'échelle commerciale sont les suivants: le caractère novateur de la technologie; le niveau de l'ingénierie de conception; l'appréciation du risque associé à l'intégration ; le biais d'optimisme des développeurs de technologies et de projets. Les facteurs influençant le coût de production après la mise à l'échelle commerciale sont les suivants: les économies d'échelle ; vi l'amélioration des procédés en raison de l'apprentissage; le moindre conservatisme dans la conception en raison de l'apprentissage ; l'amélioration incrémentielle des procédés résultant de ajout de nouvelles technologies. Un modèle basé sur ces facteurs a été proposé ; il a été ensuite appliqué à des études de cas. Deux études de cas de bioraffinage basé sur la lignine ont été identifiées et sélectionnées selon leur technologie novatrice et leur différent niveau de développement : un procédé de séparation et valorisation des principaux constituants de la biomasse forestière qui utilise un solvant organique (solvent pulping); et un procédé de précipitation et extraction de la lignine contenue dans la liqueur noire du procédé de pâte kraft, suivi d'un traitement produisant un précurseur de résine phénol-formol. Pour la première mise à l'échelle commerciale, les deux études de cas ont montré une sous-estimation des coûts. Les coûts du procédé basé sur un solvant organique doivent être réévalués de 200 dollars par tonne de résine phénol-formol, tandis que ceux du procédé de précipitation et traitement de lignine doivent être réévalués de 100 dollars par tonne de résine phénol-formol. Pour la situation après la production à l'échelle commerciale, les coûts de production doivent être réduits dans les deux études de cas. Les coûts de production relatifs aux procédé basé sur un solvant organique diminuent de 23% quand la production cumulée double (ratio d'amélioration = 0.77); Les coûts de production relatifs au procédé de précipitation et traitement de la lignine diminuent de 4% quand la production cumulée double (ratio d'amélioration = 0.96). L'application de ce modèle peut apporter des informations essentielles sur les coûts des technologies de bioraffinage et être utilisée pour les processus de prise de décision tels que la prise de décision multicritères (MCDM). Par exemple, sur la base des résultats obtenus, on peut comprendre que le procédé de précipitation et traitement de la lignine produisant le précurseur de la résine phénol-formol est plus prometteur à court terme car les coûts d'investissement et d'opération sont inférieurs. Cependant, le procédé basé sur le solvant organique offre plus de possibilités de réduction des coûts de production à l'échelle commerciale et permet de produire de la lignine de meilleure qualité et en quantité supérieure. Les futurs travaux pourraient inclure l'application de ce modèle à d'autres études de cas afin d'affiner notre compréhension des différences entre les coûts réels et estimées, et sa validation. vii Des informations fournies par le modèle pourraient être utilisés dans des processus de prise de décision tels que la technique de décision multicritère (MCDM).  ABSTRACT: Canadian Pulp and Paper (P&P) sector is struggling with financial difficulties. This is due to decreases in demand for their traditional products, increasing energy prices and increased competition from low-cost countries. Biorefinery integration into this sector can bring competetiveness by diversifiying products portfolio and revenue sources. There are some uncertainties in integration of emerging biorefineries into P&P sector, such as first implementation costs and long-term competitiveness. On the other hand stage of development (laboratory, pilot or demonstration scales) of a biorefinery affects level of these uncertainties. This in turn makes comparison of biorefineries options more challenging. Poor cost estimation of biorefineries affect the quality of decision made about commercialization. Moreover In order for a pulp mill to make well-informed decisions, it is necessary to forecast commercial costs. The objective of this thesis is to propose a model inspired by experience curve approach to evaluate costs of emerging biorefinery technologies before and after commercialization. The model is applied in lignin-based case studies considering retrofit biorefinery implementation into a Kraft P&P mill. The methodology to accomplish the objective of this thesis consists of: • Reviewing literatures on o Early cost estimate analysis o Experience curves of energy technologies o Forest biorefineries • Proposing a model to underline factors impacting costs before and after commercialization • Application of model into two retrofit lignin-based biorefinery case studies: o Large Block Analysis (LBA) on the case studies o Evaluating the identified factors before and after commercialization o Operating the experience curve model based on gathered data from previous steps ix Fundamental factors that affect costs before and after commercialization of emerging biorefineries are identified. Then a new of experience curve based on these factors is proposed. The factors affecting the first commercial cost are: 1- New technology 2- Appreciation for and level of design engineering 3- Appreciation for risk associated with integration and scale up 4- Optimism bias of the technology and project developers. The factors affecting the post commercial costs are: 1- Economies-of-scale 2- Process operation optimization due to learning 3- Process design optimization and less conservatism in design due to learning 4- Process improvement with new technology additions post-implementation. The two lignin-based biorefinery case studies for application of this model were; solvent pulping and lignin precipitation processes. For the first commercial scale, both case studies showed cost underestimation; solvent pulping process by 200 ($\$$ per ton of PF resin precursor) and lignin precipitation by 100 ($\$$ per ton of PF resin precursor). At post commercial scales, costs of both case studies were reduced; solvent pulping with progress ratio of 77% and lignin precipitation with progress ratio of 96%. Application of this model can bring critical information about costs of biorefinery technologies in pre and post commercial scales for decision-making processes such as Multi Criteria Decision Making (MCDM). Fore example based on the achieved results, it can be understood that in short term of business strategy lignin precipitation process with less cost per ton of lignin precursor is more promising. On the other hand in long-term business strategy when demand and market of lignin products such as PF resin precursor are developed, solvent pulping process is more beneficial. This is mainly due to three factors: • More opportunities for cost reduction at commercial scales • More quantity x • Better quality of lignin Future work includes application of this model to more case studies to enhance its understanding. Furthermore suitable criteria based on achieved information from this model should be defined for decision-makings techniques. This will help to validate further the importance of this provided information.


identifier: Brockbank, S. (2014). Heuristiques de branchement basées sur le dénombrement pour la résolution de problèmes d'arbres de recouvrement contraints  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire se concentre sur la programmation par contraintes (CP), une approche puissante pour résoudre des problèmes combinatoires. Notre travail tourne autour de l'un des concepts clés de la CP : les heuristiques de branchement. Cette composante définit comment l'espace de recherche doit être exploré, quelles régions devraient être visitées en premier pour trouver une solution rapidement. Le progrès sur ce sujet est important, étant donné que la CP n'admet toujours pas d'approche générique efficace pour la recherche. Les heuristiques de branchement basées sur le dénombrement comme maxSD se sont montrées efficaces pour une variété de problèmes de satisfaction de contraintes. Ces heuristiques ont besoin d'un algorithme dédié qui calcule la densité de solution locale pour chaque paire de variable-valeur, pour chaque contrainte, de façon semblable à ce qui a été fait pour les algorithmes de filtrage, pour appliquer l'inférence locale. Cependant, plusieurs contraintes n'ont toujours pas de tel algorithme. Dans notre travail, nous dérivons un algorithme exact qui, en temps polynomial, calcule la densité de solution pour la contrainte d'arbre de recouvrement, à partir d'un résultat connu sur le nombre d'arbres de recouvrement dans un graphe non orienté. Nous étendons ensuite cet algorithme pour les graphes orientés, ce qui nous permet de calculer la densité de solution pour une contrainte d'anti-arborescence, également en temps polynomial. Ensuite, nous comparons empiriquement les heuristiques de branchement basées sur ces résultats avec d'autres approches génériques. Tout d'abord, nous utilisons le problème d'arbres de recouvrement de degré contraint, sur des graphes non orientés pour démontrer l'efficacité de notre approche. Ensuite, pour les graphes orientés, nous utilisons le problème de la k-arborescence.Les heuristiques de branchement basées sur le dénombrement se montrent comme des approches très efficaces, autant pour le cas non orienté que pour le cas orienté, trouvant rapidement des solutions avec un minimum de retours en arrière.  ABSTRACT: This Master's thesis focuses on Constraint Programming (CP), a powerful approach to solve combinational problems. Our work revolves around one of the main components of CP : branching heuristics. This component defines how the search space must be explored, which areas should be visited first in order to quickly find a solution to the problem. Advances on this topic are critical, since CP lacks a generic effective search approach.  Counting-based branching heuristics such as maxSD were shown to be effective on a variety of constraint satisfaction problems. These heuristics require that we equip each family of constraints with a dedicated algorithm to compute the local solution density of variable assignments, much as what has been done with filtering algorithms to apply local inference. However, many constraints still lack such an algorithm.  In our work, we derive an exact polytime algorithm to compute solution densities for a spanning tree constraint, starting from a known result about the number of spanning trees in an undirected graph. We then extend the algorithm for directed graphs, which allows us to compute solution densities for a reverse arborescence constraint, also in polytime.  We then empirically compare branching heuristics based on those results with other generic heuristics. First, we use the degree contrained spanning tree, on undirected graphs, to demonstrate the effectiveness of our approach. Then, for the directed graphs, we use the k-arborescence problem. Counting-based branching heuristics prove to be very effective for both the undirected and directed case, finding solutions quickly and without many backtracks.


identifier: Khakpour, H. (2014). Design and Optimization of a Robot for Abrasive Waterjet Polishing of Hydraulic Turbine Blades  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans l'industrie de fabrication de turbine hydraulique, toutes les surfaces de turbines qui sont en contact avec de l'eau devraient être polies afin d'obtenir la qualité et l'efficacité maximales. Pour cela, il est nécessaire d'utiliser une méthode de polissage qui peut avoir accès à toutes les surfaces des turbines incluant leurs bords, leurs zones restreintes et leurs courbures serrées. En raison des propriétés particulières qu'offre la technique de polissage par jet d'eau abrasif, celle-ci peut être utilisée pour accomplir cette tâche. Par conséquent, dans cette recherche, les propriétés de cette méthode non-conventionnelle sont examinées dans un premier temps et les principaux paramètres affectant ses performances sont alors déterminés. Ensuite, les conditions nécessaires de manipulations de la buse de pulvérisation vis-à-vis des surfaces courbes sont étudiées et les propriétés d'un bras robotisé pour manipuler celle-ci sont obtenues afin de réaliser cette tâche d'une manière appropriée. Par après, plusieurs mécanismes robotiques tels que des mécanismes sériels, parallèles à membrures, parallèles à câbles, et des robots hybrides sont considérés et leurs capacités à être utilisé dans ce processus sont analysées. Il est alors démontré qu'une l'architecture hybride est le meilleur candidat à retenir pour le design d'un robot de polissage par jet d'eau abrasif. Ensuite, l'architecture conceptuelle d'un robot hybride à 5 DDL est proposée. La structure du robot est constituée d'un mécanisme parallèle à câbles à 3 DDL et d'un poignet sériel à 2 DDL. Afin d'améliorer les propriétés cinématiques du mécanisme à câbles tout en minimisant le nombre d'actionneurs nécessaires, il est proposé d'utiliser des différentiels pour guider ce robot manipulateur. Aussi, la rigidité et la compacité du mécanisme sont améliorées en utilisant une liaison prismatique. Par la suite, les systèmes à câbles différentiels sont examinés et les différences entre leurs propriétés cinématiques et celles de systèmes actionnés indépendamment pour chaque câble sont décrites. Il est démontré que la force résultante de tous les câbles d'un différentiel à câbles doit être prise en compte dans son analyse cinématique. En effet, dans un système différentiel planaire, la direction de la force résultante n'est pas fixée vers un point particulier. Mais plutôt, elle se déplace dans le plan de ce système différentiel. Cette propriété peut être bénéfique pour les propriétés cinématiques des robots à câbles. En comparant deux types d'espace de travail de plusieurs robots planaires actionnés par des mécanismes différentiels par rapport à leurs équivalents pleinement actionnés, il est alors montré qu'en utilisant ces mécanismes, les espaces de travail des robots planaires à câbles peuvent être améliorés. Cependant, cette même propriété qui augmente la plage de variation de la direction de la force résultante dans un câble différentiel, diminue aussi son amplitude. Ainsi, le design optimal d'un différentiel à câble résulte d'un compromis entre ces deux propriétés.  ABSTRACT: In hydraulic turbine manufacturing, all surfaces of the turbines which are in contact with the water flow should be polished to obtain the desired quality and maximal efficiency. For this, it is needed to use an effective polishing method which can have access to all surfaces of the turbines including edges, narrow areas and tight bends. Because of the particular properties of the abrasive waterjet polishing technique, it can be used to accomplish this task. Therefore, in this research, the properties of this non-conventional method are first investigated and the main parameters affecting its performance are then determined. Next, the manipulation requirements of the jet nozzle over free-form surfaces are studied and the properties of a robotic arm to appropriately perform this task are obtained. Afterwards, several robotic mechanisms, e.g., serial, linkage-driven parallel, cabledriven parallel, and hybrid robots are considered and their abilities to be used in this process are investigated. It is then shown that a hybrid architecture is the best candidate for the design of an abrasive waterjet polishing robot.  Next, the conceptual design of a 5-DOF hybrid robot is proposed. The structure of this robot is made of a 3-DOF cable-driven parallel mechanism and a 2-DOF serial wrist. To improve the kinematic properties of the cable-driven mechanism while the number of required actuators is kept at a minimum, it is proposed to use cable differentials to drive this manipulator. Also, the rigidity and compactness of the mechanism is improved through the use of a prismatic joint in its structure. Afterwards, differentially driven cable systems are investigated and the differences between their kinematic properties and these of independently actuated cables are described. It is shown that the resultant force of all cables of a cable differential should be taken into account in its kinematic analysis. Indeed, in a planar differential, the direction of the resultant force is not fixed toward a particular point. Instead, it moves within the plane of that differential. This property can be beneficial in the kinematic properties of differentially driven cable robots. By comparing two types of workspaces of several planar robots actuated by differentials with their fully actuated counterparts, it is then shown that using these mechanisms, these workspaces of planar cable robots can be improved. However, the same property that increases the range of variation of the resultant force direction in a cable differential, decreases its magnitude. Thus, the optimal design of a cable differential is a trade-off between these two properties. Next, a synthesis method is presented to find all possible arrangements of the cable differentials to generalize the idea of using such mechanisms in the design of planar cable robots. Additionally, the application of differentials in spatial robots is also investigated and it is shown that they have properties similar to the planar types.


identifier: Khelghatibana, M. (2014). An Approach for Aerodynamic Optimizaton of Transonic Fan Blades  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'optimisation de la soufflante du moteur est une procédure longue et complexe à cause de la complexité du champ d'écoulement à l'intérieur du soufflante, les exigences contradictoires de conception et l'espace de conception de grande dimension. Afin de répondre à tous ces défis, une méthode d'optimisation aérodynamique des pales des soufflantes des moteurs transsoniques a été développée dans ce projet. Cette méthode automatise le processus de conception en intégrant une méthode de paramétrage géométrique, un solveur CFD et des méthodes d'optimisation numérique. Cette méthode peut être appliquée à la fois à des problèmes de conception à un ou plusieurs points de design. Une paramétrisation multi-niveau pour les pales de soufflantes transsoniques a été utilisée pour modifier la géométrie des pales. Des analyses numériques sont effectuées par la résolution des équations 3D Reynolds-Averaged Navier-Stokes combiné avec un modèle turbulence SST. Les algorithmes génétiques et les méthodes d'optimisation hybrides sont appliquées pour résoudre le problème d'optimisation. Afin de vérifier l'efficacité et la faisabilité de la méthode d'optimisation, un problème d'optimisation visant à maximiser l'efficacité du point de design a été formulé et appliqué dans le but de redesigner un cas de test. Cependant, la conception des pales de soufflantes transsoniques est en soi un problème à multiples facettes qui traite de plusieurs objectifs tels que l'efficacité, la marge de pompage, et la marge d'étranglement. La méthode d'optimisation multi-point proposée dans l'étude actuelle est formulée comme un problème bi-objectif dans le but de maximiser les efficacités du point de design et au point près du décrochage tout en maintenant le rapport de pression au point de design. L'amélioration de ces objectifs se détériore de manière significative au niveau de la marge d'étranglement, en particulier à des vitesses de rotation élevées. Par conséquent, une autre contrainte est intégrée dans le problème d'optimisation en vue de prévenir la réduction de la marge d'étranglement à des vitesses élevées. Étant donné que la localisation du début du décrochage est numériquement très coûteuse, la marge de pompage n'a pas été considérée comme un objectif dans l'énoncé du problème. Cependant, l'amélioration de l'efficacité à la condition d'opération proche du décrochage entraîne une meilleure performance à la condition de décrochage qui pourrait améliorer la marge de pompage. Une enquête est donc effectuée sur les solutions Pareto-optimales pour démontrer la relation entre l'efficacité aux conditions près du décrochage et de la marge de pompage.  ABSTRACT: Aerodynamic design optimization of transonic fan blades is a highly challenging problem due to the complexity of flow field inside the fan, the conflicting design requirements and the high-dimensional design space. In order to address all these challenges, an aerodynamic design optimization method is developed in this study. This method automates the design process by integrating a geometrical parameterization method, a CFD solver and numerical optimization methods that can be applied to both single and multi-point optimization design problems. A multi-level blade parameterization is employed to modify the blade geometry. Numerical analyses are performed by solving 3D RANS equations combined with SST turbulence model. Genetic algorithms and hybrid optimization methods are applied to solve the optimization problem. In order to verify the effectiveness and feasibility of the optimization method, a single-point optimization problem aiming to maximize design efficiency is formulated and applied to redesign a test case. However, transonic fan blade design is inherently a multi-faceted problem that deals with several objectives such as efficiency, stall margin, and choke margin. The proposed multi-point optimization method in the current study is formulated as a bi-objective problem to maximize design and near-stall efficiencies while maintaining the required design pressure ratio. Enhancing these objectives significantly deteriorate the choke margin, specifically at high rotational speeds. Therefore, another constraint is embedded in the optimization problem in order to prevent the reduction of choke margin at high speeds. Since capturing stall inception is numerically very expensive, stall margin has not been considered as an objective in the problem statement. However, improving near-stall efficiency results in a better performance at stall condition, which could enhance the stall margin. An investigation is therefore performed on the Pareto-optimal solutions to demonstrate the relation between near-stall efficiency and stall margin. The proposed method is applied to redesign NASA rotor 67 for single and multiple operating conditions. The single-point design optimization showed +0.28 points improvement of isentropic efficiency at design point, while the design pressure ratio and mass flow are, respectively, within 0.12% and 0.11% of the reference blade. Two cases of multi-point optimization are performed: First, the proposed multi-point optimization problem is relaxed by removing the choke margin constraint in order to demonstrate the relation between near-stall efficiency and stall margin. An investigation on the Pareto-optimal solutions of this optimization


identifier: Sadeghi Hassanlouei, A. (2014). Investigation of the Frequency Response of Constant Voltage Anemometers in Turbulent Flows  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un prototype d'anémomètre disponible dans le commerce, l'anémomètre à voltage constant (CVA), est présenté et son principe de fonctionnement est étudié et analysé. Nous détaillons les différentes procédures et corrections qui doivent être appliquées aux signaux de tension afin d'obtenir les signaux de vitesse correspondant, et cela inclut l'inertie thermique du capteur. Les résultats sont comparés à un autre type d'anémomètre très répandu en recherche et dans l'industrie, l'anémomètre à température constante (CTA), à des fins de validation. Les mesures sont effectuées dans la région turbulente d'un jet turbulent axisymétrique, et incluent des vitesses moyennes, des écarts-types de fluctuations de vitesse et des densités spectrales d'énergie. Sur une même plage d'opération, nous montrons que les deux systèmes donnent des résultats similaires. Le CVA sous-estime légèrement les écarts-types de vitesse donnés par le CTA, ce qui est attribué a un effet non-linéaire. Nous montrons que la fréquence de coupure du CVA est plus élevée que le plus couramment utilisé CTA, et que le bruit électronique est plus faible. L'anémomètre à voltage constant offre donc une excellente alternative à l'anémomètre à température constante pour les écoulements faiblement turbulents dont le contenu fréquentiel est riche, comme les écoulements supersoniques et hypersoniques.  ABSTRACT: A commercially available anemometer system considered as a prototype, the constant voltage anemometer (CVA), is presented and its working principle is studied and analyzed. We detail the different procedures and corrections that have to be applied to voltage signals to deduce corresponding velocity signals, including the effect of the thermal inertia of the sensor. Results are compared to another anemometer system widely used in research and industry, the constant temperature anemometer (CTA), for validation requirements. Measurements are performed in the turbulent region of a subsonic axisymmetric jet and include mean velocities, root-mean-square (rms) values of velocity fluctuations and power spectral densities. In the same range of operation, we show that the two instruments give similar results. The CVA anemometer slightly underestimates the rms velocity values given by the CTA anemometer which is attributed to a non-linear effect. We show that the cut-off frequency of the CVA system is higher than the more commonly used CTA system, and that the electronic noise level is lower. The constant voltage anemometer is thus an excellent alternative to the constant temperature anemometer for low turbulent flows with rich frequency content, such as supersonic and hypersonic flows.


identifier: Rafione, T. (2014). Développement d'une bioraffinerie forestière intégrée et verte  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'économie du Canada dépend fortement de la vitalité de son secteur industriel qui est énergivore et émetteur de gaz à effet de serre. Dans un contexte de changement climatique, le Canada se doit de réagir. Cela passe entre autre par le développement des énergies renouvelables. Grâce à son industrie forestière, le Canada a tous les atouts nécessaires pour développer une bioéconomie dynamique. Le secteur de la foresterie inclut l'industrie des pâtes et papiers, une industrie qui fait face à une crise économique et doit donc se réinventer pour rester compétitive. Dans un tel contexte, le bioraffinage forestier qui consiste à valoriser les principaux constituants du bois pour la production aussi bien de produit de pâtes et papiers conventionnels que de produits chimiques de spécialité apparaît de plus en plus comme une solution offerte à l'industrie papetière pour faire face à la crise. Grace à ce concept, les papetières canadiennes seront en mesure de diversifier leur production et de regagner en compétitivité. Toutefois, transformer une usine de pâtes et papiers en une bioraffinerie intégrée est un exercice complexe associé à divers risques et incertitudes (ex., économique, technique, financier, etc). Il est de ce fait important de développer des outils qui permettent d'évaluer ces aspects afin que le concept de bioraffinage forestier devienne une réalité pour les papetières canadiennes. L'objectif principal de cette thèse est de démontrer la faisabilité technique et économique d'un nouveau concept de bioraffinerie forestière intégrée pour les usines de pâtes et papiers canadiennes qui n'utiliseraient aucune source d'énergie fossile sur site. Les défis à relever sont : (i) le développement d'une approche systématique qui permettrait de sélectionner les procédés de bioraffinage à intégrér, (ii) la proposition d'une méthodologie permettant d'atteindre un dégré d'intégration matérielle et énergétique suffisant entre les différents unités du complexe afin de substituer totalement le combustible. viii Pour ce faire, un nouveau concept de bioraffinerie forestière, le concept de bioraffinerie intégrée et verte a été développée. Ce concept repose sur le développement d'un complexe; centré autour d'une usine de pâtes et papiers; parfaitement intégré et bouclé dont l'empreinte écologique est réduite au maximum par l'implantation stratégique de procédés de conversion de la biomasse pour la production de bioproduits variés. Une bioraffinerie intégrée et verte comprend quatre unités : (i) une usine de pâtes et papiers, (ii) une bioraffinerie pour la production d'un bioproduit, (iii) une unité de gazéification de la biomasse pour la production de gaz de synthèse utilisé en remplacement du gaz naturel employé dans le four à chaux de l'usine de pâtes et papiers et (iv) une unité de polygénération pour la production de chaleur, de refroidissement et d'électricité. Une bioraffinerie intégrée et verte a une balance environnementale positive. Dans un tel complexe, la consommation d'eau fraiche et la production d'effluents sont réduites au maximum. Les émissions de gaz à effet de serre sont également contrôlées et plus important, une bioraffinerie intégrée et verte ne consomme aucune énergie fossile. Une stratégie d'implantation pour développer durablement une bioraffinerie intégrée et verte a été proposée et consiste en 5 étapes : (i) sélection de l'usine de P&P réceptrice, (ii) sélection de la bioraffinerie, (iii) intégration matérielle et énergétique des différents procédés suivie de (iv) l'implantation d'une unité de gazéification de la biomasse et (v) d'une unité de polygénération. Une nouvelle méthodologie, basée sur la programmation mathématique, pour l'optimisation matérielle et énegétique de la bioraffinerie intégrée a été proposée. La méthodologie est innovante de part la formulation du problème d'allocation des réseaux d'eau adoptée puisqu'elle prend en compte les spécificités d'une usine de pâtes à papiers telle l'existance de points de transfert thermique direct qui affectent l'éfficacité énergétique de l'usine de P&P. La prise en compte de ces particularités du procédé de mise en pâte lors de la définition ix du problème d'allocation des réseaux d'eau résulte en la réduction simultanée des consommations d'eau et de vapeur du procédé. La formulation du problème sous forme de problème mixte à variable entières intégrées est particulièrement intéressante puisqu'il conduit à une multitude de solutions lors de sa résolution. Les solutions obtenues, présentées sous formes de front de Pareto, sont toutes équvalentes d'un point de vue mathématique. C'est l'utilisateur qui intervient et prend la décision finale quant à la solution optimale à considérer pour futures modifications des réseaux d'échangeurs d'eau et de chaleur de la bioraffinerie intégrée. Le choix de la solution se base, aussi bien sur les connaissances du procédé en termes de contraintes, que sur des régles de bases d'ingéniérie. Cette étape de sélection de la solution optimale peut également s'effectuer grâce à un outil de prise de décision. Le concept et la méthodologie d'implantation proposés ont été testés sur des études de cas impliquant la conversion d'une usine de pâte dissoute en bioraffinerie intégrée et verte pour la production de furfural ou d'éthanol. Les résultats obtenus démontrent que le concept de bioraffinerie intégrée et verte est un nouveau concept qui est techniquement faisable si le dégré d'intégration entre l'usine de pâtes et papiers et les autres procédés constituants le complexe est optimal et économiquement rentable si les technologies de conversion de la biomasse vise la synthèse d'un produit chimique de spécialité soit à très haute valeur ajoutée. La méthodologie d'intégration matérielle et énergétique dévelopée, en plus d'être innovante, est robutste, pratique et efficace. En comparaison avec les méthodologies proposées dans la littérature pour l'optimisation simulatanée de l'eau et de l'énegie, la nouvelle méthodologie est interactive, car elle se base sur la formulation multi-objectifs du problème conduisant à plusieurs solutions lors de la résolution.  ABSTRACT: Canada's economy depends strongly on the vitality of its industrial sector which is energy intensive and emitter of greenhouse gases. In the context of climate change, Canada must react by developing its renewable energy sector. With its strong forest industry, Canada can play an important role in the development of a world bioeconomy. The forestry sector includes the pulp and paper industry, an industry facing an important economic crisis during the last years. As a response, the pulp and paper industry needs to reinvent itself in order to remain competitive. In such a context, the forest biorefinery concept which consists in valorizing the main components of wood, for the production of both conventional pulp and paper products and specialty chemicals appears to be one solution for the pulp and paper industry to cope with the crisis. Thanks to this concept, the Canadian pul mills will be able to diversify their production and regain competitiveness. The main objective of this thesis is then to propose and demonstrate the technical and economic feasibility of a new integrated forest biorefinery concept for Canadian pulp and paper mills targeted toward the development of a fossil fuel free facility. The challenges to be addressed are: (i) the development of systematic approaches to select the biorefinery processes to be implemented; (ii) the development of a mass and energy integration methodology that will allow the establishement of a site with no fossil fuel consumption. A new forest biorefinery concept, the green integrated forest biorefinery has been developed. This concept is based on the development of a complex, centered around a pulp and paper mill, fully integrated whose ecological footprint is reduced to the minimum through the strategic implementation of biomass conversion processes for the production of various bioproducts. A green integrated forest biorefinery includes 4 units: (i ) a pulp and paper mill which is the core of the complex, (ii) a biorefinery for the production of bio-products , (iii) a biomass gasification unit xi for production of syngas used to substitute natural gas usage on-site and ( iv ) a polygeneration unit generating green power and supplying cooling and heating to the integrated facility. The green integrated forest biorefinery is environmentally friendly. In such a facility, fresh water consumption, effluent production and greenhouse gases emissions are reduced to their minimum. But most importantly, a green integrated forest biorefinery is a fossil fuel free facility. An implementation strategy to develop a sustainable green integrated forest biorefinery has been proposed and consists of five steps: (i) selection of the receptor pulp mill and (ii) biorefinery plant, (iii) intense material and energy integration of the various processes followed by (iv) the implantation of biomass gasification and (v) a polygeneration units. A new mathematical-based optimization methodology for simultaneous reduction of water and energy consumption has been developed. The methodology takes into account the interconnection between water and steam consumption in a pulp and paper mill by taking into account the presence of stream mixing point that affects the energy efficiencies and the steam consumption of the overall process. The formulation as a MILP problem is particularly interesting and differs from what has been reported in the literature for combined mass and energy optimization problem as it gives multiple solutions during the resolution phase in the form of a Pareto front. The user takes the final decision regarding the solution to be further implemented within the process based on its knowledge of the process and pratical engineering rules. The decision making process can be facilitated using specific tools. The concept and implementation methodology proposed have been applied to case studies involving the conversion of a dissolved pulp mill into a green integrated forest biorefinery for the production of furfural and ethanol. xii The results show that the concept of green integrated forest biorafinery is an innovative concept that is technically feasible, providing an optimal energy and mass integration between the different constituents of the facility and economically viable if the integrated forest biorefinery is targeted for the production of specialty chemicals. The proposed mass and energy integration methodology is innovative, robust and efficient. In addition, it is interactive since the user plays a key role in the decision making process to select the optimum solution


identifier: Wuensche, J. (2014). Eumelanin Films for Organic Bioelectronics: Growth, Charge Transport, and Interaction with Metal Electrodes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les semi-conducteurs organiques sont des matériaux souples à conduction ionique et électronique mixte. Ces propriétés sont exploitées dans la bioélectronique organique, un nouveau champ de recherche à l'interface de l'électronique et de la biologie qui vise à fournir les connaissances et la technologie pour des applications telles que les biocapteurs, la livraison de médicaments et la stimulation neuronale. Outre les matériaux électroniques organiques qui ont été bien caractérisés à des fins d'applications de diodes électroluminescentes organiques et de cellules solaires, les chercheurs dans le domaine de la bioélectronique organiques explorent l'utilisation des matériaux électroniques biomoléculaires. La recherche de matériaux biomoléculaires est motivée par ses bénéfices potentiels en biocompatibilité et en biodégradabilité, essentiels pour des applications à l'interface avec des systèmes vivants. Sur un plan plus général,les matériaux électroniques biomoléculaires pourraient éventuellement être utilisés pour la conception de systèmes électroniques plus écologiques. L'eumélanine, un matériau biomoléculaire, a été considéré comme un semi-conducteur amorphe depuis les années 1970. L'eumélanine est un pigment omniprésent dans la flore et la faune. Il possède de nombreuses fonctions dans le corps humain: la protection UV, le piégeage des radicaux libres, la chélation des ions métalliques, et la thermorégulation. L'eumélanine a une structure électronique moléculaire de type pi-conjugué qui se caractérise par son haut degré de désordre énergétique et structurel. Il y a différents types d'eumélanine et ils se distinguent par leurs structures moléculaires et supramoléculaires, lesquelles dépendent des conditions de (bio-)synthèse. Par exemple, les pastilles de poudre pressée d'eumélanine possèdent une conductivité et photoconductivité activée thermiquement. Cependant, contrairement aux semi-conducteurs organiques typiques, la conductivité des pastilles d'eumélanine augmente drastiquement avec l'hydratation. Bien que la mobilité des ions dans l'eumélanine ait été rapportée, le modèle de semi-conducteur amorphe est le modèle prévalent dans la communauté scientifique depuis quatre décennies et il est encore utilisé pour interpréter les propriétés électriques de l'eumélanine. Pendant le travail qui a mené à cette thèse, une nouvelle étude sur les pastilles d'eumélanine a été publiée démontrant que ce modèle ne peut pas décrire correctement la conductivité de l'eumélanine en fonction de l'hydratation. Cette étude suggère plutôt que l'eumélanine est un conducteur ionique-électronique mixte. Cela souligne la nécessité de réexaminer les propriétés électriques de l'eumélanine et renforce l'intérêt d'utiliser l'eumélanine comme matériau de base dans la bioélectronique organique. L'intégration d'eumélanine dans des dispositifs est facilitée par les récents progrès dans la préparation de couches minces d'eumélanine.  ABSTRACT: Organic semiconductors are mechanically soft materials and generally exhibit mixed ionic and electronic conduction. These properties are exploited in organic bioelectronics, a new field of research at the interface of electronics and biology that aims at providing knowledge and technology required for applications such as biosensing, drug delivery, and neuronal stimulation. In addition to well-characterized organic electronic materials already used in organic light-emitting diodes and solar cells, researchers in the field of organic bioelectronics are exploring the use of biomolecular electronic materials. The search for suitable biomolecular materials is motivated by potential benefits such as biocompatibility and biodegradability,for applications at the interface with living systems. On a more general level, biomolecular electronic materials are relevant because they could lead to more environmentally friendly electronics. The biomolecular material eumelanin has been considered to be an amorphous semiconductor since the 1970's. Eumelanin is a pigment ubiquitous in flora and fauna and has many functions in the human body including UV-protection, free radical scavenging, metal ion chelation, and hermoregulation. Eumelanin has a conjugated backbone and is characterized by a high degree of energetic and structural disorder. Different types of eumelanin can be distinguished according to their (bio-)synthetic origin, resulting in different molecular and supramolecular structures. Pressed powder pellets of eumelanin show thermally activated conductivity and photoconductivity. However, in contrast to typical organic semiconductors,the conductivity of eumelanin pellets strongly increases with hydration. Although there are reports about mobile ions in eumelanin, the amorphous semiconductor model prevailed and was used to interpret the electrical properties of eumelanin during the last four decades. During the work for this thesis, a new study on eumelanin pellets was published showing that this model cannot correctly describe the hydration-dependent conductivity of eumelanin. Instead,the work suggests that eumelanin is a mixed ionic-electronic conductor. This report underlines the need to reinvestigate the electrical properties of eumelanin and reinforces the recent interest in eumelanin as a material for organic bioelectronics. The integration of eumelanin in device structures has been facilitated by the recent progress in the preparation of eumelanin thin films. Indeed, first attempts to employ eumelanin in chemical sensors and batteries have been reported. However, the properties of eumelanin thin films are far from being fully characterized. In particular, the electrical properties of hydrated films are largely unexplored.


identifier: Lanouette, A.-M. (2014). Évaluation de l'effet structurel de l'impact d'un micrométéorite ou d'un débris orbital sur le bras canadien 2  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les structures spatiales sont de plus en plus à risque de subir des impacts en hypervélocité, soit à plus de 3km/s, dû à l'augmentation marquée du nombre de débris spatiaux au cours des deux dernières décennies. Ces débris sont principalement d'anciennes pièces de satellites ou de lanceurs éjectées lors du déploiement d'une structure. Des collisions entre deux débris, générant plusieurs nouveaux petits débris, sont donc également de plus en plus probables. Différents organismes surveillent les débris spatiaux et la position de la majorité des gros débris (plus de 10cm de diamètre) est connue. Toutefois, il est impossible de suivre les petits débris et plusieurs études ont montré qu'ils peuvent tout de même causer des dégâts considérables aux structures. Il est de plus en plus commun d'ajouter une certaine forme de protection contre les collisions aux nouvelles structures spatiales. Par contre, la majorité des structures actuellement en orbite, comme le Bras canadien 2, n'ont aucune protection contre les impacts. Les dommages causés par des impacts en hypervélocité sur différents matériaux spatiaux comme l'aluminium, les panneaux sandwich et les laminés ont déjà été caractérisés par différents groupes de recherche depuis la fin des années 1980, mais aucune étude portant sur l'évaluation expérimentale des propriétés mécaniques d'une structure après un impact, applicable au cas du Bras Canadien 2, n'a été publiée. Il est seulement possible de trouver dans la littérature des études portant sur les propriétés mécaniques de différents types de laminés après un impact à beaucoup plus basse vitesse d'ordre de grandeur énergétique généralement 1000 fois inférieur. Le Bras canadien 2, ou Space Station Remote Manipulator System (SSRMS), est installé sur la Station Spatiale Internationale (ISS) depuis 2001. Il avait une durée de vie initialement prévue à 10 ans, mais comme il est toujours très utile pour différentes opérations de maintenance et lors de l'approche finale des capsules de ravitaillement, il est maintenant souhaitable de le maintenir opérationnel jusqu'à la fin prévue de l'ISS soit en 2020 ou possiblement en 2028. Il est donc nécessaire de bien connaître les effets de l'impact d'un débris orbital sur la structure du bras pour que l'Agence spatiale canadienne (ASC) soit en mesure de redéfinir adéquatement les chargements pouvant être appliqués sur le bras si des dommages d'impact devaient être observés sur la couverture thermique couvrant sa structure.  ABSTRACT: Space structures are more and more likely to be impacted at hypervelocities, velocities greater than 3km/s, as the number of orbital debris has rapidly grown in the last two decades. These debris are mostly composed of pieces jettisoned from a launcher or a satellite during the deployment of a structure, dead spacecrafts and fragmentation debris. Collision between two debris, generating many smaller new debris, are more likely to happen. Large space debris (diameter over 10cm) are tracked by different space organizations and their position at all time is known. It is however impossible to track the smaller debris while several studies have already demonstrated that they can also cause significant damage to structures. It is now more and more common to add a kind of protection against collisions to the space structures, but the great majority of space structures currently in orbit, as the Canadarm2, are not protected against hypervelocity impacts. Damage caused by such impacts to different space materials such as aluminum, sandwich panels and laminates has already been characterized during different studies since the end of the 1980s while no study, dedicated to the experimental evaluation of the mechanical properties of a space structure after an impact, relevant to the case of the Canadarm2, has been published. It is only possible to find, in the literature, studies determining the residual mechanical properties after an impact at much lower velocities; the energy of impact is generally three orders of magnitude smaller. The Canadarm2, or Space Station Remote Manipulator System (SSRMS), is installed on the International Space Station (ISS) since 2001. It had an initial 10-year lifespan, but it is still very useful today for maintenance operations and to capture and release incoming space capsules. It is thus desirable to maintain the Canadarm2 in operation at least until the end of the ISS funding in 2020 and possibly in 2028. Understanding the effects of an orbital debris impact on the Canadarm2 structure is now primordial in order to adequately redefine the load levels that can be applied on the arm as a function of the observable damage on the thermal blankets. The main objectives of this study are: first, to obtain a correlation between the visible damage on the booms and the corresponding internal damage of the structure, second to study the cracks caused by the impact growth under different cyclic loads, and finally to provide considerations on the load levels to be applied on the robotic arm as a function of the observable damage.


identifier: Oulmane, A. (2014). Surveillance et diagnostic des défauts des machines tournantes dans le domaine temps-fréquences utilisant les réseaux de neurones et la logique floue  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ces dernières années, la surveillance et le diagnostic des machines tournantes sont devenus un outil efficace pour détecter de façon précoce les défauts et en suivre 1‘évolution dans le temps. La maintenance des machines nécessite une bonne compréhension des phénomènes liés à l‘apparition et au développement des défauts. Détecter l‘apparition d‘un défaut à un stade précoce et suivre son évolution présente un grand intérêt industriel. En effet, il existe un vaste choix de techniques de traitement de signal appliquées au diagnostic des machines mais l‘opinion générale est que ces techniques ne sont pas suffisamment efficaces et fiables. L‘intérêt économique de mettre en place une méthode automatique de maintenance prévisionnelle favorise les programmes de recherche en techniques de traitement du signal. Les techniques de traitement du signal dans le domaine de temps et de fréquence peuvent être utilisées pour identifier et isoler les défauts dans une machine tournante. L‘analyse du spectre d‘un signal peut nous aider à détecter l‘apparition d‘un défaut tandis que la décomposition de ce signal dans le temps peut nous fournir la nature et la position de ce défaut. Bien que ces techniques s‘avèrent très utiles dans des cas simples et permettent la formulation rapide d‘un pré-diagnostic, elles présentent par contre un certain nombre d‘inconvénients qui peuvent conduire souvent à la formulation de diagnostics erronés. La localisation de l‘origine des chocs et des phénomènes de modulation et, en particulier, des événements non stationnaires ou cyclo-stationnaires nécessite la mise en oeuvre de techniques encore plus élaborées, basées sur l‘analyse tridimensionnelle (temps-fréquence-amplitude). En pratique, les signatures vibratoires mesurées à l‘aide de capteurs de vibration contiennent plusieurs composantes qui sont plus ou moins utiles à la caractérisation du signal, et rendent difficile l‘interprétation des résultats issus de ces analyses. Face à cette complexité grandissante, la recherche scientifique s‘est orientée vers l‘utilisation des méthodes intelligentes qui permettent de représenter l‘état de la machine dans un espace de grande dimension, pour faciliter la détermination de l‘état de cette machine.  ABSTRACT: The machines monitoring and diagnosis using vibration analysis are an effective tool for early faults detection and continuous tracing of their evolution in time. Machine maintenance requires a good understanding of the phenomena related to the onset and development of faults. Detecting their occurrence at an early stage and following their evolution is of a great interest. There is a wide range of signal processing techniques applied to machines diagnosis, but the general opinion is that these techniques are not sufficiently effective and reliable. The economic interest to develop an automatic method of predictive maintenance promotes research programs in signal processing techniques. The current thesis objective is to propose an intelligent detection system for locating, detecting, and even classifying (identifying) faults in rotating machinery components. The intelligent systems previously developed have the same characteristics: they require advanced knowledge in computer science and signal analysis to be expanded and exploited and the establishment of a complex process for their deployment and operation. The architecture proposed in this study for this smart detection prototype seeks to facilitate as much as possible its use and configuration in order to minimize the associated costs. In the first step of this study, we participated to a development of an in-house software of signal processing in time, frequency, time-frequency and time-scale (wavelets) domain. To implement the efficiency of this program we proceeded to an experimental tests using a test rig which we conceived especially at École Polytechnique for this purpose and also industrial tests to determine the main causes of damage of different components in rotating machinery. For this purpose, several linear and bilinear distributions that the software contains were used. For an industrial tests, the Choi-Williams representation was selected as higher among all of the others distributions to transform temporal signals to time-frequency domain. Indeed, this representation presented lowest interference and cross term effects related to other representations. In this part of study, we have shown that most conventional methods such as the spectral analysis are applicable for a single defect on a simple machine components and that none of these methods can provide a precise answer to all the problems of machines diagnostic. We also demonstrated that time-frequency representation is a solution which can bring many advantages and facilitate diagnosis. Indeed, the choice of a distribution in industrial application depends on the concerned problem and none of these distributions can accurately resolve all problems.


identifier: Fey, S. (2014). Contrôle et gestion de la légionelle dans les grands bâtiments  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'épidémie de légionellose à Québec en 2012 ainsi que l'implantation de nouvelles règlementations touchant le contrôle de Legionella dans les bâtiments exigeront des gestionnaires d'immeubles de mieux comprendre cette bactérie opportuniste trouvant les conditions idéales à sa prolifération dans les réservoirs artificiels des grands bâtiments. L'objectif principal du projet de recherche est d'étudier certains éléments déterminants parmi les critères de conception et modalités d'exploitation pour le contrôle de la prolifération de la légionelle dans les grands bâtiments. Cet objectif est orienté spécifiquement sur les aspects de gestion hydraulique et de désinfection chimique et thermique des grands bâtiments. Trois systèmes ont été étudiés : les réseaux d'eau chaude sanitaire, les tours de refroidissement des grands bâtiments (TAR) et les TAR en milieu industriel. Dans un premier temps, l'étude des réseaux d'eau chaude en milieu hospitalier et les analyses microbiologiques ont permis d'identifier trois points critiques de contrôle de la légionelle : les chauffe-eau et les boucles de recirculation, soit l'ossature principale du réseau et les points d'utilisation qui sont responsables de la contamination distale si des températures de contrôle ne sont pas maintenues. À cet égard, les travaux ont démontré que les profils de température aux points d'utilisation sont un excellent outil pour évaluer les zones à risque d'amplification des légionelles et mieux comprendre le régime hydraulique dans un réseau. Finalement, le suivi des températures en continu à la sortie des chauffe-eau est essentiel afin de s'assurer que l'équipement de chauffage assure en tout temps une température de contrôle minimale.  ABSTRACT: Following the Quebec's legionellosis outbreak in 2012 and the recent promulgation of regulations on the control of Legionella in buildings, building managers need to better understand this opportunistic bacteria that find adequate conditions for its proliferation in artificial reservoirs of large buildings. The main objective of the research project was to investigate key design criteria and modalities of operation to control the proliferation of Legionella in large buildings. This objective is directed specifically to address aspects of hydraulic management and chemical and thermal disinfection in large buildings. Three types of systems were studied: domestic hot water systems, cooling towers of large buildings and industrial's cooling towers (CTs). Firstly, monitoring of hot water systems in hospitals and microbiological analyzes identified three critical points for legionella control: water heaters and recirculating loops, the main network, and points of use that are responsible for distal contamination if controlled temperatures are not maintained. In this regard, this study has shown that temperature profiling at points of use is an excellent tool to locate areas at risk of amplification of Legionella and to improve the understanding of hydraulics of the distribution system. Finally, the continuous temperature monitoring at the outlet of the water heater is essential to ascertain that the heating equipment ensure a minimum temperature control in any time.


identifier: De Leener, B. (2014). Segmentation automatique de la moelle épinière sur des images de résonance magnétique par propagation de modèles déformables  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les lésions de la moelle épinière, induites par des traumas (e.g. accident de la route) ou par des maladies neurodégénératives, touchent plus 85 000 personnes au Canada avec environ 4250 nouveaux cas chaque année1. Elles ont de plus un impact majeur sur la vie quotidienne des personnes atteintes, en provoquant des pertes de sensibilité et de contrôle moteur dont la gravité dépend de la taille et de l'emplacement des lésions. Bien qu'il existe des approches thérapeutiques permettant d'améliorer la réhabilitation fonctionnelle des patients, toutes ces approches se heurtent à une inconnue majeure : l'étendue des dégâts causés par les lésions. Un diagnostic précoce et précis des maladies neurodégénératives touchant la moelle épinière permettrait d'améliorer grandement l'efficacité de leurs traitements. Depuis de nombreuses années, l'IRM a prouvé son potentiel dans le diagnostic et le pronostic des lésions de la moelle épinière (Cadotte, 2011; Cohen-Adad et al., 2011). Ce domaine manque cependant encore d'outils complètement automatisés permettant l'extraction et la comparaison de métriques cliniques reliées à la structure de la moelle (aire de section transverse, volume, etc.). La segmentation de la moelle épinière sur des images IRM anatomiques peut fournir des mesures d'aires et de volumes de la moelle (Losseff et al., 1996) et peut quantifier son atrophie en cas de maladies neurodégénératives telles que la sclérose en plaques (Chen et al., 2013) et la sclérose latérale amyotrophique (Cohen-Adad et al., 2011). Ce projet de maîtrise vise à développer une méthode de segmentation complètement automatique de la moelle épinière, fonctionnant sur plusieurs types d'images IRM (pondérées en T1 et en T2) et sur n'importe quel champ de vue (cervical ou thoracique), et permettant d'extraire et de comparer des mesures précises de la moelle épinière. La revue de la littérature a permis de mettre en évidence le manque de méthode de segmentation automatique de la moelle épinière fonctionnant sur n'importe quel type de contraste et de champ de vue. Elle a toutefois fait ressortir une série de propriétés intéressantes, dans les méthodes semi-automatiques existantes, pouvant être combinées pour former une méthode complètement automatisée.  ABSTRACT: Spinal cord lesions affects more than 85,000 people in Canada with about 4,250 new cases every year. Lesions can be caused by traumatic injuries or by neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis. They have an important impact on a patient's daily life, inducing loss of sensibility or motor control in the human body. The extent of damages caused by a lesion varies with the number of damaged spinal cord tracks, and depends on the size and the position of the lesion within the spinal cord. Although therapeutic approaches for patient functional rehabilitation exist, they all face an unknown variable: the extent of spinal cord lesions. A precise and early diagnosis of neurodegenerative diseases would improve their treatment efficiency. For a number of years, MRI has demonstrated its potential in the diagnosis and prognosis of spinal cord lesions (Cadotte, 2011; Cohen-Adad et al., 2010). However, this research field still lacks of fully automatized tools for the extraction and comparison of clinical metrics related to the spinal cord structure (e.g. cross-sectional area, volumes). Spinal cord segmentation on anatomical MR images can provide accurate area and volume measurements (Losseff et al., 1996) and could quantify spinal cord atrophy caused by neurodegenerative diseases such as multiple sclerosis (Chen et al., 2013) or amyotrophic lateral sclerosis (Cohen-Adad et al., 2011). The objective of this Master's project is to develop a fully automatic spinal cord segmentation method, working on multiple MR contrasts and any field of view, able to extract and compare accurate spinal cord measurements. The literature review pointed out the lack of such a method but highlighted several interesting features in existing methods, that can be combined to develop a new automatic segmentation algorithm. The method developed in this project is based on the multi-resolution propagation of a deformable model. First, the spinal cord position and orientation is detected in the image using an elliptical Hough transform on multiple adjacent axial slices. A low-resolution tubular mesh is then build around the detection point and direction and deformed on spinal cord edges by minimizing an energy equation. An iterative process, composed by the duplication, translation, orientation and deformation of the mesh, propagates the surface along the spinal cord. Finally, a refinement and a global deformation of the surface provide accurate segmentation of the spinal cord. Measurements can be directly extracted from the segmentation surface. The spinal canal can also be segmented with our method by simply inversing the gradient in the image and


identifier: Delorme, R. (2014). Étude de faisabilité de l'insertion d'une membrane élastomère à renfort textile dans l'aspirateur d'une centrale hydroélectrique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La production électrique du Québec, estimée a 200 TWh, provient à 96 % de centrales hydroélectriques qui sont au coeur des  enjeux écologiques et économiques de la province. Plusieurs recherches ont porté sur l'optimisation du profil hydrodynamique des turbines en vue d'en maximiser le rendement énergétique. Toutefois, peu  d'études se sont concentrées sur l'aspirateur des barrages, le conduit par lequel l'eau est acheminée en sortie de turbine. Des études numériques menées par Alstom Power & Transport Canada Inc. ont démontré que la modulation du profil de l'aspirateur peut augmenter la performance de la  centrale hydroélectrique. L'objectif de cette étude était d'évaluer la faisabilité de cette modification de profil, dans des barrages existants, à l'aide d'une membrane composite gonflable. La première partie de l'étude consistait à réaliser un montage permettant de tester le gonflement de membranes planes en composite silicone/fibres de verre. Les membranes gonflées ont été numérisées à l'aide d'un outillage optique permettant d'avoir une représentation tridimensionnelle de leur déformée. La seconde partie de l'étude visait à construire des modèles par éléments finis reproduisant les mêmes expériences et éventuellement applicables à la conception de membranes plus complexes. Les résultats de cette étude ont confirmé la faisabilité technique de la conception et la fabrication d'une telle membrane pour l'application visée. Le déploiement à grande échelle nécessitera toutefois la fabrication de membranes 3D ainsi que des ancrages associés.  ABSTRACT: The generation of electrical energy in Quebec, estimated to 200 TWh, comes from hydroelectric generating stations for 96% which are at the heart of provincial ecological and economic challenges. An important amount of research has been devoted to improving the hydrodynamic profile of hydraulic turbines to maximize their energy efficiency. However, few studies have focused on the draft tube in hydroelectric power plants, which is the duct where water  flows out after crossing the turbine. Recent calculations performed by Alstom Power & Transport Canada Inc. revealed that the shape modulation of the draft tube could increase the hydroelectric generating station performance. The goal of this research was to assess the feasibility of this shape modification in existing draft tubes with inflatable composite membranes. The study consisted first of building an experimental setup to test the inflation of  at membranes made up of a fiberglass-reinforced rubber composite. The inflated membranes were digitized with an optical equipment enabling 3D representations of their deflections. The second part of the study aimed at building finite element models reproducing the same experiments and enabling the design of more complicated membranes. The study confirmed the technical feasibility of designing and manufacturing such a membrane for the targeted application. However the large-scale roll-out will require to manufacture 3D membranes with the proper anchoring system.