identifier: Lengaigne, J. (2020). Icephobicity of Superhydrophobic Surfaces Under Atmospheric Icing, the Role of Surface Wettability on Impact Dynamics and Ice Growth Kinetics  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le givrage atmosphérique est un problème difficile pour l'exploitation et la sécurité des aéronefs. Il se produit en vol lorsque des nuages de micrométriques gouttelettes d'eau en surfusion percutent et gèlent sur les surfaces exposées, entrainant diverses défaillances et pertes d'efficacité. Ces gouttelettes, dans une phase liquide instable, possèdent des diamètres de l'ordre de 10 à 50 micromètres, peuvent être refroidies à des températures inférieures à moins 20 C et percuter à des vitesses de dizaines de mètres par seconde. Les systèmes actuels de protection contre la glace reposent sur des technologies telles que des éléments chauffants ou des fluides de dégivrages. Ils sont énergivores, toxiques et peu fiables dans des conditions sévères. Récemment, le développement de surfaces dites glaciophobes a attiré l'attention pour exploiter leurs potentielles propriétés afin d'empêcher l'accumulation de glace, de faciliter le déglaçage ou d'améliorer le dégivrage thermique. Parmi ces surfaces, les revêtements superhydrophobes, qui combinent des matériaux à faible énergie de surface et une rugosité de surface élevée, ont été proposés en raison de leur résistance à l'eau exceptionnelle. Il a été démontré que ces surfaces hydrophobes conservent leurs propriétés dans certaines conditions de givrage, affichant une faible adhérence à la glace, une répulsion des gouttes dans des environnements glacials ou facilitant la fonte et l'élimination de la glace. Cependant, l'adoption de surfaces glaciophobes pour des applications aérospatiales est entravée par un manque de connaissance de leur performance dans des conditions environnementales réalistes. Les conditions de givrage des aéronefs nécessitent des installations dédiées d'essai en soufflerie givrante pour reproduire un environnement atmosphérique réaliste. Le comportement de mouillage et de glaciophobicité des revêtements superhydrophobes sous l'effet combiné de microgouttelettes, de températures glaciales et d'une vitesse d'impact élevée est encore largement inexploré. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'étudier le rôle de la mouillabilité et de la superhydrophobicité sur la glaciophobicité de surfaces spécifiquement modifiées dans des conditions de givrage de microgouttelettes en surfusion telles que subies en vol. L'essentiel du travail expérimental a été réalisé sur une soufflerie de givre à petite échelle capable de reproduire des conditions de givrage quasi réalistes nécessaires pour tester la glaciophobicité des surfaces fabriquées. Nous avons étudié l'influence de la mouillabilité et de la rugosité de surface en examinant successivement la dynamique d'impact des gouttelettes, la cinétique de croissance de la glace et le comportement des surfaces nanotexturées.Abstract  ABSTRACT: Atmospheric icing is a challenging problem for aircraft operation and safety. It occurs in flight when clouds of micrometric supercooled water droplets impact and freeze on exposed surfaces, potentially leading to diverse system malfunctions and efficiency losses. These droplets, in an unstable liquid phase, feature diameters in the range of 10 to 50 micrometers, can be cooled to temperatures below -20oC and impact at speeds of tens of meters per second. Current ice protection methods rely on technologies such as heaters or freezing-point depressant chemicals. These are energy-consumptive, environmentally damaging and prone to failure in severe weather. Recently, the development of so-called icephobic surfaces has attracted a lot of research to harness potential properties to prevent ice accretion, facilitate ice shedding or enhanced thermal de-icing. Among these surfaces, superhydrophobic coatings, which combine low surface energy materials and high surface roughness, have been proposed due to their exceptional water repellency. These water-repellent surfaces have been shown to maintain their properties under certain icing conditions, displaying low ice adhesion, droplet repellency in cold environment, or facilitating ice melting and removal. However, the adoption of icephobic surfaces in aerospace applications has been hindered by a lack of research related to their performance under realistic environmental conditions. Aircraft icing conditions require dedicated icing wind-tunnel testing facilities to reproduce realistic atmospheric environment. The wetting and icephobic behavior of superhydrophobic coatings under the combination of micrometric droplets, sub-zero temperatures, and high impact velocity is still largely unexplored. Therefore, the objective of this thesis is to investigate the role of wettability and superhydrophobicity on the icephobicity of engineered surfaces under supercooled water microdroplet icing conditions as experienced by aircraft. The core of the experimental work was performed on a small-scale icing wind-tunnel able to reproduce near-realistic icing conditions needed to test icephobicity of the desired surfaces. We investigated the influence of surface wettability and roughness by looking successively at the droplet impact dynamics, the ice growth kinetics and the behavior of nanotextured surfaces. In the first part of the study, we used ultra-high-speed imaging in the wind-tunnel to record in detail the impact dynamics of microdroplets at different levels of supercooling on four reference surfaces with wettability ranging from smooth near-superhydrophilic to micro/nanotextured superhydrophobic.


identifier: Léveque, B. (2020). Analyse des vulnérabilités des prises d'eau potable de la rivière des Mille Îles (Québec) aux étiages estivaux en contexte de changements globaux par une approche ascendante  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: En perturbant le climat, l'Homme menace son propre écosystème, incluant les systèmes vitaux comme les eaux de surface, sources d'eau potable pour environ 70% de la population québécoise. Les prises d'eau potable (PEP), premier maillon dans la chaine d'approvisionnement en eau potable, subissent tout particulièrement les pressions induites par les changements globaux (changements climatiques et urbanisation), en faisant face à des menaces d'ordre quantitatif (disponibilité des eaux de surface) et qualitatif (contamination chimique et microbiologique). Au Québec, malgré l'abondance des ressources en eau, le risque de pénurie d'eau demeure présent, comme l'ont prouvé les étiages critiques observés au début du XXIème siècle, en particulier dans le sud de la province. La croissance démographique et l'anthropisation des territoires ont aussi été responsables d'une dégradation à long terme de la qualité des eaux de surface, menaçant la vie aquatique et la santé des populations.  ABSTRACT: By disrupting the climate, man threatens his own ecosystem, including vital systems, such as surface water and sources of drinking water for about 70% of Quebec's population. Drinking water intakes (DWIs), the first link in the drinking water supply chain, are particularly under pressure from global changes (climate change and urbanization), as they are faced with quantitative threats (availability of surface water) and qualitative threats (chemical and microbial contamination). In Quebec, despite the abundance of water resources, the risk of water scarcity remains, as evidenced by critical low flows at the beginning of the 21st century, particularly in the southern part of the province. Population growth and the anthropization of the territories have also been responsible for a long-term degradation of surface water quality, threatening aquatic life and public health. Aware of the current vulnerability of Quebec surface water to these types of threats, the Quebec government recently required Quebec municipalities to perform a vulnerability analysis of their drinking water sources by April 1, 2021 for Category 1 sources, such as the Mille Îles River, which served as a case study for this research.


identifier: Proteau-Bedard, F. (2020). Caractérisation des eaux souterraines du sous-bassin versant d'Innisfil Creek : une approche hydrogéochimique et isotopique  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Des épisodes de sécheresses récurrents et l'augmentation de la demande en eau pour l'irrigation ont attisé l'intérêt des communautés du sous-bassin versant d'Innisfil Creek pour faire une transition des eaux de surface aux eaux souterraines pour leur approvisionnement en eau potable. Néanmoins, une caractérisation régionale du système d'aquifères est nécessaire avant de statuer sur cette option, en raison de la complexité du système aquifère multicouche composé de 17 unités hydrostratigraphiques situé dans la zone d'étude. Le projet a donc comme objectif principal de caractériser la dynamique d'écoulement régional grâce à l'utilisation de traceurs hydrogéochimiques et isotopiques. Cette étude est basée sur des travaux antérieurs de la zone d'étude qui ont mis en évidence les besoins des communautés et permis de définir l'hydrostratigraphie régionale. Ensuite, pour répondre aux besoins de caractérisation régionale, une revue de littérature d'autres études régionales a été faite pour faire ressortir les paramètres à caractériser. Finalement, l'étude est appuyée par des outils et des méthodes de traitement de données reconnues pour caractériser les paramètres d'intérêt. Suite à cette revue de littérature, il a été convenu que le projet devait être traité à l'aide d'une approche combinant des traceurs géochimiques et isotopiques. Une base de données regroupant diverses sources a été créée dans le cadre de ce projet pour cibler les processus hydrogéologiques majeurs. Le traitement des données est ensuite appuyé sur la définition des contextes hydrogéologiques pour mettre en valeur les principales variations géologiques et de présenter la continuité des résultats dans l'espace. Pour pouvoir répondre pleinement aux besoins de l'étude, une campagne d'échantillonnage supplémentaire a été réalisée à l'été 2018. La revue méthodologique a ensuite dicté les bases des méthodologies d'échantillonnage et d'analyse en laboratoire. Les données ont ensuite été traitées pour permettre une évaluation de la qualité des résultats. Un indice de fiabilité a été mis au point dans le cadre du projet pour faire ressortir les principales causes d'erreurs possibles pour le projet et pour utiliser les données de qualité par la suite pour les interprétations. À la suite de ces revues théoriques, ce travail de recherche a permis de mettre au point un modèle conceptuel à partir d'un ensemble de 61 échantillons qui inclut les ions majeurs et les isotopes de la mélécule d'eau (�18O, �2H, 3 et du carbone (�13C-DIC et 14C-DIC). La géochimie et les isotopes stables et radiogéniques ont permis de localiser les principales zones de recharge moderne et de mettre en évidence la recharge récente allant jusqu'à 60 m de profondeur dans l'aquifère principal de sable et gravier (AFB2) non confiné. La géochimie et le 14C-DIC ont aussi révélé l'existence de voies d'écoulement profondes contenant des eaux souterraines âgées qui ont été rechargées dans les conditions climatiques des dernières périodes glaciaires. L'échange cationique s'est avéré être le principal processus d'évolution géochimique, combiné au mélange entre les voies d'écoulement modernes et anciennes. Toutes ces informations ont révélé une évolution géochimique distincte entre la partie nord du sous-bassin versant et la partie sud. Le patron d'écoulement du secteur nord de la zone d'étude présente un mélange d'eau douce moderne et d'une eau minéralisée ancienne. Au sud, l'écoulement se divise en deux régimes d'écoulement, l'un est moderne et peu profond et l'autre est profond, confiné et fortement minéralisé. Ces conclusions permettent de remettre en perspective les options de gestion de l'eau, car une migration d'un approvisionnement en eau de surface vers un approvisionnement en eau souterraine ne semble pas être une option garantie pour certaines zones du sous-bassin.  ABSTRACT: Recent drought occurrences have increased the water needs of the Innisfil Creek watershed in Ontario, Canada. Local authorities are now forced to restrain the use of surface water, affecting the agricultural activities of the area. A switch from surface water to groundwater for drinking supplies is one of the studied options to react to these surface water constraints. However, the lack of understanding of the groundwater dynamics does not guarantee the sustainability of this option. Therefore, a conceptual model of the area is needed to help identify the key processes of the hydrogeological system and facilitate water management. The project is based on the use of geochemical and isotopic methods to identify the main hydrogeological processes of the study area. A geochemical and isotopic database has been built from past surveys to cover the whole watershed area. The data treatment was then made through the use of ydrogeological contexts association. This methods allows the identification the aquifers particularities and to understand the flow sequence. The conceptual model created in this research project is based on 61 groundwater samples. The geochemical and isotopic database contains major ions, �18O, �2H, 3H, �13C-DIC and 14CDICs. Isotopic interpretation of radiogenic and stable isotopes has allowed the identification of the main recharge areas. The signature of this modern water input has been observed up to 60 m deep in the main unconfined aquifer. Hydrogeochemistry and radiogenic isotopes were used to identify an deep flow path with water from the past glacial era. Cation exchange has also been proven to be the main geochemical process to be observed along a flow path. This investigation indicated a distinct geochemical evolution between the northern part of the watershed and the southern one. The northern flow path output geochemical is a mixing between fresh modern water and a mineralized old water from glacial events over 20 000 years old. The southern flow path divided a fresh shallow and a deep, confined and highly mineralized flow paths. This shallow flow path is influenced by a local recharge and its impact is noticed along the flow path on a layer of over 50 m sediments. Its deep component is a part of a larger regional flow with a decreasing mineralisation caused by noticeable input of modern water along its flow.


identifier: Couture, A. (2020). Linear Stability Analysis of Fluid-Structure Problems Using Time-Linearized Coupled Formulations  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les turbines hydroélectriques sont maintenant plus souvent utilisées dans des conditions hors conception et connaissent davantage de cycles de démarrage et d'arrêt en raison de la croissance des sources d'énergie renouvelables et imprévisibles comme l'éolien et le solaire. Ces conditions d'utilisation sont sujettes à des vibrations induites par l'écoulement qui peuvent être problématiques pour la durée de vie en fatigue des turbines hydrauliques. Pour prévenir les dommages causés par ces vibrations, les propriétés vibratoires d'une turbine doivent être bien comprises. L'évaluation numérique des facteurs d'amortissement et de rigidité hydrodynamiques est donc de la plus haute importance, mais elle pose un problème car elle nécessite la simulation des phénomènes complexes d'interactions structure-fluide. À cette fin, deux méthodes numériques sont développées pour modéliser efficacement les propriétés de stabilité dynamique des problèmes d'interactions fluide-stucture. Les deux méthodes reposent sur la linéarisation temporelle des équations solides et fluides. La première méthode utilise un écoulement potentiel et la seconde utilise les équations de Navier-Stokes pour représenter le fluide. Pour les deux méthodes, le problème d'équations aux dérivées partielles résultant de la combinaison des équations solides, fluides et frontières est discrétisé dans le domaine fréquentiel à l'aide de la méthode des éléments finis. La résolution du problème de valeur propre qui en résulte donne la fréquence et le taux de croissance des différents modes du système couplé. Pour obtenir les propriétés de stabilité des systèmes couplés fluide-structure, des méthodes d'identification et de suivi des modes sont développées pour permettre des analyses paramétriques efficaces. Les deux méthodes sont testées sur des cas simples de plaques en porte-à-faux bidimensionnelles et comparées aux résultats existants. La première méthode, basée sur un écoulement potentiel, s'avère reproduire les résultats de référence que dans certains cas bien particulier en raison d'un problème dans la représentation du sillage. La seconde méthode, basée sur les équations de Navier-Stokes, montre une meilleure concordance avec les résultats de référence et un coût de calcul beaucoup plus faible que les méthodes conventionnelles.  ABSTRACT: Hydroelectric turbines are now more often used in off-design conditions and experience more start-stop cycles because of the growth of renewable but unpredictable energy sources. These conditions are prone to flow-induced vibrations that can be problematic for the fatigue life of turbine runners. To prevent damage from such vibrations, the vibratory properties of a turbine must be well understood. Numerically evaluating hydrodynamic damping and stiffness factors is thus of the upmost importance but it poses a problem as it requires the simulation of complex fluid-structure phenomena.  To that end, two numerical methods are developed to efficiently model the dynamic stability properties of complex fluid-structure problems. Both methods rely on the time linearization of coupled solid and fluid equations. The first method uses a potential flow and the second uses Navier-Stokes equations to represent the fluid. For both methods, the partial differential equations problem resulting from combining the solid, fluid and boundary equations is discretized in the frequency domain using the finite element method. Solving the resulting eigenvalue problem yields the frequency and growth rate of the coupled system. To obtain the stability properties of the fluid-structure interaction systems, mode identification and tracking methods are developed to allow for efficient parameter analyses. Both methods are tested on simple two-dimensional cantilever plate cases and compared to existing results. The first method, based on a potential flow, is found to have limited agreement to reference results due to strong limitations in the representation of the wake. The second method, based on the Navier-Stokes equations, shows better agreement with reference results and a much smaller computational cost than conventional methods.


identifier: Tari, M. (2020). Flutter Instability of a Reconfiguring Beam with Large Displacement  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les arbres et les plantes tirent bénéfice de leur flexibilité en réduisant la charge aérodynamique à laquelle ils sont confrontés en se pliant et en se déformant. La flexibilité est donc un avantage, permettant une reconfiguration et une réduction de la traînée. Cependant, il est bien connu que la flexibilité est également à l'origine de nombreux phénomènes de vibration induite par l'écoulement tels que le flottement, qui peuvent être associés à des contraintes dynamiques élevées. Le but de cette recherche est de savoir si le flottement limite les avantages de la reconfiguration. Dans ce but, nous considérons la reconfiguration d'une plaque plane sous écoulement d'air pour imiter la reconfiguration complexe de vraies plantes. En particulier, nous examinons la dynamique d'une plaque plane initialement positionnée perpendiculaire à l'écoulement du fluide et fixée à sa ligne médiane. Dans la partie numérique, nous développons un solveur structural considérant les grands déplacements en supposant qu'un modèle de poutre d'Euler-Bernoulli représente le mouvement des plaques en deux dimensions. Nous utilisons un code CFD pour la simulation du champ d'écoulement. Nous utilisons une technique itérative partitionnée pour coupler les solveurs structural et fluide afin d'assurer la convergence des variables de structure et d'écoulement au niveau de l'interface. De plus, nous étudions les caractéristiques de flottement d'une poutre en reconfiguration en utilisant la méthode numérique développée. Dans la partie expérimentale, nous effectuons une série de tests en soufflerie pour observer la limite de stabilité et les différents modes de flottement et également valider notre méthode numérique avec les données expérimentales. L'approche numérique-expérimentale combinée révèle que la reconfiguration est bénéfique jusqu'à la limite de flottement, tandis que la charge due à la dynamique instable du régime post-flottement dépasse la charge rigide, même légèrement au-delà de la limite de flottement pour de faibles rapports de masse. De plus, le lâcher de tourbillons en aval de la plaque entraîne des vibrations induites par vortex, ce qui est la cause du changement de la dynamique de la plaque d'un mode symétrique à un mode antisymétrique.  ABSTRACT: Trees and plants benefit from flexibility by reducing the aerodynamic loading they face by bending and deforming. Flexibility is thus an advantage, allowing reconfiguration and drag reduction. However, it is well-known that flexibility is also at the root of many flow-induced vibration phenomena such as flutter, which can be associated with high dynamic stresses. The goal of this research is to find out whether flutter is limiting the benefits that come from reconfiguration. To this aim, we consider reconfiguration of a flat plate under airflow to imitate the complex reconfiguration of real plants. In particular, we look at the dynamics of a flat plate initially positioned normal to fluid flow and clamped at its centerline. In the numerical part, we develop a large displacement structural solver assuming the Euler-Bernoulli beam representing the motion of plates in two dimensions. We use an in-house CFD code for the simulation of the flow field. We employ an iterative partitioned technique to couple the structural and fluid solvers to ensure convergence of the flow and structure variables at the interface level. Further, we study flutter characteristics in a reconfiguring beam using the developed numerical method. In the experimental part, we perform a series of wind tunnel tests to observe the stability limit and different flutter modes and also to validate our numerical method with the experimental data. The combined numerical-experimental approach reveals that the reconfiguration is beneficial up to the flutter limit, while the loading due to unsteady dynamics of the post-flutter regime exceeds the rigid loading for low mass ratios. In addition, the vortex shedding downstream of the plate leads to vortex-induced vibrations, which is the cause of the change in plate dynamics from a symmetrical mode to an anti-symmetrical mode.


identifier: Vorontsov, E. (2020). On Medical Image Segmentation and on Modeling Long Term Dependencies  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La délimitation (segmentation) des tumeurs malignes à partir d'images médicales est importante pour le diagnostic du cancer, la planification des traitements ciblés, ainsi que les suivis de la progression du cancer et de la réponse aux traitements. Cependant, bien que la segmentation manuelle des images médicales soit précise, elle prend du temps, nécessite des opérateurs experts et est souvent peu pratique lorsque de grands ensembles de données sont utilisés. Ceci démontre la nécessité d'une segmentation automatique. Cependant, la segmentation automatisée des tumeurs est particulièrement difficile en raison de la variabilité de l'apparence des tumeurs, de l'équipement d'acquisition d'image et des paramètres d'acquisition, et de la variabilité entre les patients. Les tumeurs varient en type, taille, emplacement et quantité; le reste de l'image varie en raison des différences anatomiques entre les patients, d'une chirurgie antérieure ou d'une thérapie ablative, de différences dans l'amélioration du contraste des tissus et des artefacts d'image. De plus, les protocoles d'acquisition du scanner varient considérablement entre les cliniques et les caractéristiques de l'image varient selon le modèle du scanner. En raison de toutes ces variabilités, un modèle de segmentation doit être suffisamment flexible pour apprendre les caractéristiques générales des données. L'avènement des réseaux profonds de neurones à convolution (convolutional neural networks, CNN) a permis une classification exacte et précise des images hautement variables et, par extension, une segmentation de haute qualité des images. Cependant, ces modèles doivent être formés sur d'énormes quantités de données étiquetées. Cette contrainte est particulièrement difficile dans le contexte de la segmentation des images médicales, car le nombre de segmentations pouvant être produites est limité dans la pratique par la nécessité d'employer des opérateurs experts pour réaliser un tel étiquetage. De plus, les variabilités d'intérêt dans les images médicales semblent suivre une distribution à longue traîne, ce qui signifie qu'un nombre particulièrement important de données utilisées pour l'entraînement peut être nécessaire pour fournir un échantillon suffisant de chaque type de variabilité à un CNN. Cela démontre la nécessité de développer des stratégies pour la formation de ces modèles avec des segmentations de vérité-terrain disponibles limitées.  ABSTRACT: The delineation (segmentation) of malignant tumours in medical images is important for cancer diagnosis, the planning of targeted treatments, and the tracking of cancer progression and treatment response. However, although manual segmentation of medical images is accurate, it is time consuming, requires expert operators, and is often impractical with large datasets. This motivates the need for training automated segmentation. However, automated segmentation of tumours is particularly challenging due to variability in tumour appearance, image acquisition equipment and acquisition parameters, and variability across patients. Tumours vary in type, size, location, and quantity; the rest of the image varies due to anatomical differences between patients, prior surgery or ablative therapy, differences in contrast enhancement of tissues, and image artefacts. Furthermore, scanner acquisition protocols vary considerably between clinical sites and image characteristics vary according to the scanner model. Due to all of these variabilities, a segmentation model must be flexible enough to learn general features from the data. The advent of deep convolutional neural networks (CNN) allowed for accurate and precise classification of highly variable images and, by extension, of high quality segmentation images. However, these models must be trained on enormous quantities of labeled data. This constraint is particularly challenging in the context of medical image segmentation because the number of segmentations that can be produced is limited in practice by the need to employ expert operators to do such labeling. Furthermore, the variabilities of interest in medical images appear to follow a long tail distribution, meaning a particularly large amount of training data may be required to provide a sufficient sample of each type of variability to a CNN. This motivates the need to develop strategies for training these models with limited ground truth segmentations available.


identifier: Bond, J. (2020). Quantification of the Hydrologic Performance and Modelling in SWMM of a Bioretention Basin and Vegetated Swale with a Trapezoidal Cross-section  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les débordements d'égouts unitaires peuvent causer des problèmes majeurs de pollution des cours d'eaux récepteurs. De plus, l'augmentation des surfaces imperméables, une conséquence de l'expansion des villes urbaines au cours du dernier siècle, a engendré une augmentation des volumes et débits de ruissellement des eaux pluviales. Ceci entraîne une réduction de la recharge des eaux souterraines, une augmentation de la masse de polluants rejetés et une érosion des berges des cours d'eaux récepteurs. Les pratiques de gestion optimales (PGO) favorisent les chances qu'un site retrouve ses caractéristiques hydrologiques initiales, avant développement, en gérant le ruissellement à la source. Ces nouvelles mesures de gestion des eaux pluviales, sous forme d'ouvrages à faible impact écologique, bénéficient de systèmes naturels pour augmenter l'infiltration et l'évapotranspiration.  ABSTRACT: Low Impact Development (LID) increases the chances for a site to have “predevelopment hydrology” by managing runoff at the source. New stormwater control measures (SCMs) in the form of structural micro-solutions (LID-Best Management Practices or LID-BMPs) have been implemented around the world as control strategies benefitting from natural systems to increase infiltration and evapotranspiration of stormwater. Hydrologic models permit the design of these projects and can be used to understand the benefits of implementing LID facilities into the landscape and predict their capabilities in handling a variety of rainfall events. Two types of LID structures were monitored in 2019 as part of a pilot project in Montreal; one with an underdrain pipe and runoff storage potential (bioretention basin) and the other without (vegetated swale). Their hydraulic performance was quantified using metrics such as bioretention abstraction volume, volume retention, peak flow reduction and peak delay.


identifier: Lallam, W. (2020). Analyse énergétique d'un système de pompe à chaleur transcritique au CO2 pour le chauffage combiné  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude a été réalisée pour développer un système de pompe à chaleur transcritique eau-eau au CO2 destiné au secteur résidentiel. Le choix s'est porté sur le CO2 car c'est un réfrigérant naturel non toxique, ininflammable et qui ne contribue pas à l'appauvrissement de la couche d'ozone ni au réchauffement climatique. Le modèle de pompe à chaleur proposé ici évalue la performance saisonnière de la pompe à chaleur transcritique dotée de deux refroidisseurs de gaz en série avec une circulation à contrecourant entre le CO2 et l'eau. Deux librairies ont été utilisées pour cette étude, la librairie IBPSA pour l'utilisation des modèles de base ainsi que la librairie AixLib pour l'évaluation des propriétés thermo-physiques du CO2. Des simulations sur une configuration permettant de réaliser le chauffage d'espace et de produire de l'eau chaude domestique simultanément ont été effectuées pour une saison de chauffage représentant un climat froid. La configuration utilise les données météorologiques de Montréal et un profil de consommation d'eau chaude artificiel généré avec une méthode de probabilité statistique de tirage d'eau. Pour une température d'entrée d'eau côté source de la PAC constante de 5 C et une consigne de production d'eau chaude à 61 C, le COP de la PAC a été évalué selon trois modes : mode de chauffage d'espace seul, mode de chauffage d'eau seule et le mode de chauffage d'eau et d'espace simultanément. Les résultats de la simulation ont montré que le COP en mode chauffage d'espace se rapproche du COP global car plus de 86% de l'énergie fournie par la PAC a été utilisée pour chauffer l'espace. Un COP global de 2.44 a été enregistré et de 3.2 pour une opération en mode combinée pour une journée du mois de février de la saison de chauffage.  ABSTRACT: This study was carried out to develop a transcritical water-to-water CO2 heat pump system for the residential sector. CO2 was chosen since it is a natural refrigerant that is non-toxic, non-flammable and does not contribute to the depletion of the ozone layer and global warming. The heat pump model proposed here evaluates the seasonal performance of the transcritical heat pump with two gas coolers in series with countercurrent circulation between the CO2 and water. Two libraries were used for this study: the IBPSA library for the use of the basic models and the AixLib library for the evaluation of the thermo-physical properties of CO2. Simulations on a configuration that allowed space heating and domestic hot water heating, simultaneously, were carried out for a heating season in a cold climate. The configuration uses Montreal meteorological data and an artificial hot water consumption profile generated with a statistical probability method. For a constant water inlet temperature of the heat pump source of 5 C and a hot water production set point of 61 C, the COP of the heat pump was evaluated using three modes: space heating alone, water heating alone and water and space heating simultaneously. The simulation results showed that the COP in space heating mode is close to the global COP because more than 86% of the energy supplied by the heat pump was used to heat the space. A global COP of 2.44 was recorded, while a COP of 3.2 was achieved for a combined mode operation for one day of February during the heating season.


identifier: Houssard, C. (2020). L'éco-efficience revisitée pour améliorer la durabilité de l'industrie laitière : Étude de cas sur l'utilisation optimale des constituants du lait dans la production du yogourt grec au Québec  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Notre système alimentaire exerce une pression grandissante sur l'environnement et menace à la fois la santé humaine et la stabilité du système planétaire. Face à l'urgence climatique et l'état de dégradation alarmant des services écosystémiques, il convient de modifier rapidement nos modes de production et nos comportements alimentaires. La consommation croissante de produits d'origine animale ainsi que les pertes et le gaspillage alimentaire sont des causes importantes de cette dégradation. Les grandes qualités nutritionnelles des produits laitiers contribuent à la sécurité alimentaire des populations, mais ces produits ont une empreinte environnementale élevée. En outre, la demande grandissante pour des produits laitiers transformés, riches en matière grasse ou, dans une moindre mesure en protéines, nécessite d'augmenter la production du lait et génère des volumes importants de sous-produits (poudre de lait écrémé, lactosérum, etc.) qui ont peu ou pas de valeur ajoutée dans les conditions actuelles de marché. Ce déséquilibre dans l'utilisation des constituants du lait est une source d'inefficacité du système, mais constitue aussi une opportunité pour réduire l'empreinte environnementale globale de la filière. La question générale qui se pose d'un point de vue de durabilité, est de savoir comment optimiser l'utilisation des constituants du lait afin d'en réduire l'empreinte environnementale tout en permettant à la population de bénéficier de ses avantages nutritionnels. Ce projet vise à contribuer à répondre à cette question en s'intéressant plus spécifiquement au cas du yogourt grec (YG), un produit très apprécié pour sa haute teneur en protéines, sa faible teneur en matière grasse et son onctuosité, qui a connu une très forte croissance dans les dernières années. Son mode de production requiert en moyenne trois fois plus de lait qu'un yogourt régulier et génère environ deux kilos de lactosérum acide pour chaque kilo de YG produit. Récemment, les industriels laitiers ont développé de nouvelles technologies pour réduire la quantité de lactosérum ou faciliter sa valorisation. Ce projet a pour but de déterminer quelle(s) technologie(s) présente(nt) les meilleurs compromis pour optimiser l'utilisation des constituants du lait des systèmes de YG sous l'angle de l'éco-efficience. Le concept d'éco-efficience qui vise à réduire les impacts environnementaux d'un système tout en en augmentant sa valeur est très utilisé dans les programmes d'efficacité énergétique. Il est revisité dans cette thèse afin d'en améliorer l'efficacité d'un point de vue de développement durable. Dans cette perspective, le principal objectif de cette recherche est de développer un cadre d'analyse d'éco-efficience basé sur l'approche cycle de vie qui permette aux transformateurs de YG au Québec d'identifier des scénarios d'utilisation optimale des constituants du lait en prenant en compte les aspects fonctionnels, socio-économiques et environnementaux de ces systèmes de produit sur l'ensemble de leur chaîne de valeur. Onze systèmes multifonctionnels de YG ont ainsi été étudiés. Pour la même quantité de yogourt produit, ces systèmes délivrent différentes quantités de co-produit (crème) et sous-produit (lactosérum) aux propriétés, fonctions et valeur économique variées. La réalisation d'une première analyse du cycle de vie attributionnelle (ACV), comparant la performance environnementale des technologies utilisées au Québec en 2018 pour produire du YG, a permis d'identifier les principaux contributeurs aux impacts environnementaux de ce produit et les moyens d'action pour les réduire. Les résultats ont démontré que la minimisation des pertes et gaspillage tout le long de la chaîne de valeur ainsi que l'approvisionnement en lait et ingrédients laitiers à faible impact sont des facteurs clés pour améliorer l'empreinte environnementale du YG alors que la consommation d'énergie durant la phase de transformation a une faible influence sur le profil environnemental de ces systèmes. Cette première ACV n'a pas permis de différencier l'influence de la technologie utilisée sur les résultats, mais elle a mis en évidence l'importance d'adopter une perspective chaîne de valeur pour améliorer efficacement l'empreinte environnementale de ces systèmes. Une seconde ACV, utilisant l'approche par extension de frontières pour allouer les impacts entre le YG et ses co-produits/sous-produits (contrairement à la méthode d'allocation plus simple utilisée dans la première analyse) a été réalisée. Cette perspective plus systémique a permis de mieux comprendre l'influence des co-produit (crème) et sous-produit (lactosérum) sur la chaîne de valeur et les systèmes environnants. Les résultats ont montré que dans les conditions actuelles du marché canadien, sous gestion de l'offre, où la production de lait est régulée par la demande domestique en crème et où les solides non gras du lait sont en surplus, les technologies de YG qui requièrent le plus de lait et qui produisent le plus de crème, favorisent une meilleure synergie d'interaction avec les systèmes laitiers environnants et optimisent l'utilisation des constituants du lait. Ces résultats ont mis en évidence l'avantage de mettre en marché de produits laitiers riches en protéines et faibles en matière grasse, tels que le YG, pour optimiser l'utilisation des constituants du lait et réduire les impacts environnementaux de la filière laitière dans les conditions actuelles de marché. Une troisième approche, basée sur le développement d'un nouveau cadre d'analyse d'éco-efficience permettant d'évaluer la performance environnementale des systèmes de YG en relation avec des indicateurs socio-économiques et fonctionnels variés a été réalisée. Les résultats ont révélé que les scénarios qui généraient le plus de valeur économique pour les transformateurs de YG étaient aussi ceux qui étaient les moins performants d'un point de vue environnemental et socio-économique pour les autres acteurs de la chaîne de valeur. À notre connaissance, ce cadre d'analyse d'éco-efficience, qui adopte une perspective systémique et intègre les trois dimensions du développement durable à différentes échelles (individuelle, territoriale et sociétale), est unique en son genre et constitue la contribution majeure de ce projet de recherche. En tenant compte des intérêts de l'ensemble des parties prenantes, ce modèle rompt avec la conception courante de l'éco-efficience généralement axée sur une amélioration coût-efficacité d'un des acteurs de la chaîne de valeur. Il suggère ainsi une modification du paradigme classique de conception de la valeur en entreprise (généralement centrée sur le profit individuel) de façon à favoriser la création de valeur partagée entre les acteurs de la chaîne de valeur. Son application au cas concret du yogourt grec a permis aux industriels laitiers du Québec de mieux évaluer les compromis à faire pour optimiser l'utilisation des consistants du lait dans la filière laitière de façon à maximiser leur impact positif sur la société. La réalisation des objectifs spécifiques de ce projet a contribué, d'une part à répondre aux questions pragmatiques des industriels pour améliorer l'éco-efficience des systèmes de production de yogourt grec et, d'autre part, à proposer des améliorations méthodologiques pour l'évaluation de la durabilité des systèmes multifonctionnels tels que le YG. Ultimement, ce projet contribue à l'amélioration des outils d'aide à la décision axés sur l'approche cycle de vie pour favoriser l'opérationnalisation du développement durable en entreprise. Le nouveau cadre d'analyse d'éco-efficience proposé a été développé pour l'industrie laitière, mais pourrait facilement être appliqué à d'autres secteurs d'activités.  ABSTRACT: Our food system is putting increasing pressure on the environment and threatening human health and global stability. The urgency of the fight against climate change and alarming degradation of ecosystem services is forcing us to quickly change our production methods and consumption behaviours. The growing consumption of animal products and food losses and wastage are among the main causes of this deterioration. The nutritional qualities of dairy products contribute to food security, but the products have a large environmental footprint. The rising demand for high-fat and, to a lesser degree, high-protein processed dairy products boosts milk production, generating considerable volumes of by-products (e.g. skim milk powder, whey, etc.) with low or no added value on the market. While this imbalance in the use of milk components represents an inefficiency of the dairy production system, it also constitutes an opportunity to further reduce the sector's overall environmental footprint. From the sustainability perspective, a question arises: can the use of milk components in the dairy industry be optimized so as to reduce the sector's environmental footprint and ensure the population benefits from their nutritional benefits? This project aims to respond to the question by specifically focusing on the case of Greek yogurt (GY), a popular product owing to its low-fat-high-protein content and smoothness whose sales have risen substantively in recent years. On average, GY production requires, three times more milk than regular yogurt and generates approximately two kilograms of acid whey for every kilogram of GY produced. Recently, the dairy industry developed new production technologies to reduce the quantities of acid whey and improve their recovery. In this thesis, we aim to determine which technologies provide the best compromises to optimize the use of milk components in GY production systems from an eco-efficiency perspective. The concept of eco-efficiency seeks to create more value with less impact. It is a widely used concept in industrial energy efficiency programs to curb environmental burdens while improving cost effectiveness. This thesis revisits eco-efficiency to improve its effectiveness from a sustainability perspective. In this respect, the main objective of the research project is to develop a multidimensional eco-efficiency framework based on the life cycle approach to identify optimal scenarios for the use of milk components that account for the product systems' functional, socioeconomic and environmental aspects across the value chain.Eleven multifunctional Greek yogurt systems were assessed. For the same amount of GY produced, these systems deliver various quantities of co-product (cream) and by-product (whey) with different proprieties, functions and economic values. A first attributional life cycle assessment (LCA) comparing the environmental performances of the most common GY production technologies in Québec in 2018 throughout their entire product life cycle helped identify the main contributors and key drivers to reduce the environmental burdens of GY. The results showed that minimizing losses and wastage and selecting milk and milk protein ingredients with low impacts are key factors to improve the environmental performance of GY systems, while the energy consumption in the processing stage is a low contributor to the impacts. The outcomes of this LCA do not demonstrate that the choice of processing technology is a clear discriminant factor but rather highlight the importance of adopting a complete value-chain perspective when analyzing these systems to effectively improve their environmental footprint. Then, a second life cycle assessment using a system boundaries expansion approach to partition the impacts between the GY and its co-products (instead of the simplest allocation method used in the first study) was performed. This more systemic perspective improves the understanding of the causal relations of GY co-product and by-product within the product chain and surrounding systems. The results show that, under current Canadian market conditions in which milk production is driven by the demand for cream and produces surplus non-fat-solids (NFS), GY technologies, which require more raw milk and produce more cream, enable better synergies in milk component use and improve the environmental performance of the GY systems. In this respect, neither the quantity of whey generated, nor the whey management technology significantly influence the environmental footprint of GY. This outcome sheds new light on the benefits of marketing high-protein-low-fat dairy products such as GY to optimize the use of milk components across the dairy sector. Finally, a third approach that proposes an enhanced eco-efficiency framework to assess the environmental performances of GY systems in relation to various socio-economic and functional value indicators reveals how the scenarios that create the most economic value for GY processors do not perform as well for the other value chain stakeholders or environmental dimensions. To our knowledge, this multidimensional EE framework that integrates the three aspects of sustainable development at different levels of analysis (individual, territorial, societal) is wholly unique and constitutes the major contribution of this research project. By accounting for the interests of all value chain stakeholders, the framework breaks with the current concept of eco-efficiency focused on cost effectiveness for a single value chain stakeholder. It suggests a shift in the standard paradigm of the concept of value (generally driven by individual gain) to foster the creation of shared value between value chain stakeholders. Its application to the concrete case of Greek yogurt enables Canadian milk processors to better assess the compromises required to optimize the use of milk components in their sector and maximize their positive impact on society. The attainment of the project's specific objectives addresses pragmatic questions from the industry to improve the eco-efficiency of Greek yogurt production systems and suggests several new methodological enhancements to assess the sustainability of multifunctional systems, such as Greek yogurt. Ultimately, this project contributes to the improvement of life cycle based decision-making tools to foster the operationalization of sustainable development within corporations. While the project was developed for the dairy industry, the findings may apply in other activity sectors.


identifier: Mohammadi, H. (2020). Using NIRS to Capture and Investigate Brain Pulsatility and Its Association with Aging and Cardiovascular Diseases  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Alors que la longévité des humains augmente en raison des progrès de la recherche en santé, le vieillissement apparaît comme un facteur de risque critique pour un large éventail de pathologies humaines. « Un homme à l'âge de ses artères » est un dicton qui met l'accent sur l'importance des parois vasculaires en santé pour soutenir un vieillissement en santé. Chez un individu jeune et en bonne santé, lorsque le sang est pompé vers le cerveau, l'élasticité des artères atténue les fluctuations pulsatiles du sang, en particulier au niveau des grandes artères. Ainsi, malgré la nature pulsatile du sang dans les artères majeures, un écoulement continu est finalement atteint dans les capillaires cérébraux durant la systole et la diastole. Un métabolisme cérébral sain et une intégrité microvasculaire dépendent fortement d'un flux sanguin cérébral continu, même durant la diastole. Au cours du vieillissement, les parois artérielles des vaisseaux se modifient, devenant plus rigides et plus épaisses, diminuant ainsi leur capacité à amortir les fluctuations pulsatiles. Le résultat est qu'une pression d'impulsion plus élevée est transmise vers la microcirculation cérébrale. Une telle altération de l'interaction cœur-cerveau médiée par la fonction vasculaire est fondamentale pour une hypothèse biomécanique qui relie une pulsatilité artérielle plus élevée aux lésions cérébrales. Il est en effet supposé qu'une pulsatilité cérébrale plus élevée chez les personnes âgées contribue à la présence de dommages à la microcirculation cérébrale, à l'amincissement cortical et conséquemment au déclin cognitif. Il est connu que la présence de facteurs de risque cardiovasculaires tels que l'hypertension, le diabète et la dyslipidémie pourrait entraîner des dommages accumulés aux parois artérielles. Par conséquent, l'issue défavorable du vieillissement artériel sur le système vasculaire cérébral en aval peut être plus profonde en présence de facteurs de risque cardiovasculaire. L'autre facteur qui influence l'interaction cœur-cerveau est la performance du cœur car celui-ci est la source de la pulsatilité. Dans les maladies cardiaques, telles que la maladie coronarienne, l'une des maladies cardiaques liées à l'âge chez les personnes âgées, le flux sanguin cérébral du cerveau peut être réduit.  Afin d'étudier la pulsatilité cérébrale et son association aux modifications cérébrales structurelles et hémodynamiques, trois études ont été ici menées. L'impact du vieillissement en bonne santé sur la pulsatilité cérébrale et son association à l'épaisseur corticale a été étudié en examinant des individus jeunes et plus âgés en bonne santé. Un protocole d'imagerie cérébral multimodal a été utilisé pour étudier la pulsatilité cérébrale. La pulsatilité intracrânienne a été indexée par imagerie par résonnance magnétique par contraste de phases (CP-IRM) dans les artères carotides et vertébrales internes et le canal du liquide céphalorachidien au niveau de l'espace sous-arachnoïdien cervical. La pulsatilité cérébrale régionale à travers le cortex a été quantifiée par une mesure de spectroscopie dans l'infrarouge proche (NIRS) fonctionnelle. L'association entre la pulsatilité et la performance cognitive a ensuite été explorée à l'aide de la tâche de Stroop. Les données NIRS fonctionnelles ont été utilisées pour indexer la pulsatilité chez les personnes âgées présentant des conditions de facteur de risque cardiovasculaire et une maladie coronarienne. Là, le NIRS fonctionnel a permis l'étude de l'hémodynamique cérébrale même dans une expérience basée sur la mobilité et a donc été utilisé pour étudier l'impact de la marche de faible intensité sur la dynamique de la pulsatilité cérébrale.  Les résultats montrent le potentiel de contribution du NIRS fonctionnel pour étudier la pulsatilité cérébrale. Plus particulièrement, ils indiquent que la pulsatilité cérébrale évolue à la fois dans un contexte de vieillissement en santé et en présence de pathologies du vieillissement. Cette recherche suggère des pistes prometteuses pour de futures recherches sur la pulsatilité cérébrale en tant qu'indice potentiel de la santé cérébrovasculaire, soit un paramètre qui pourrait à terme devenir un nouvel indicateur de santé cérébrale dans le vieillissement en santé comme dans les cas de maladies cardio-vasculaires lors du vieillissement.  ABSTRACT: As longevity increases due to advancements in science and medical technology, aging is emerging as a critical risk factor for a wide range of human pathologies. “A man is as old as his arteries” is a famous saying that emphasizes the importance of ensuring healthy vessel wall to sustain health in aging. In young and healthy individuals, as blood travels towards the brain, the elasticity of the arteries' wall attenuates the pulsatile fluctuations of blood, especially the large central arteries. Accordingly, despite the pulsatile nature of the blood circulation in the central arteries, a almost steady flow is achieved in the brain capillaries during both systole and diastole, a condition which is required in order not to impact on the integrity of the neurons. Healthy brain metabolism and microvascular integrity are highly dependent upon steady cerebral blood flow, even during diastole. However, in the course of aging, the vessels evolve towards stiffer and thicker arterial walls and the ability of the arteries to damp the pulsatile fluctuations diminishes. The result is a higher pulse pressure traveling to the brain microcirculation. Such alteration in heart-brain interaction mediated by vascular function is fundamental to a biomechanical hypothesis that relates the higher arterial pulsatility to damage in the brain. Higher cerebral pulsatility is hypothesized to contribute to the damage to the brain microcirculation and to cortical thinning that can result in cognitive decline in older adults. It is known that the presence of classic cardiovascular risk factors such as hypertension, diabetes, and dyslipidemia could lead to accumulated damage to the arterial walls. Hence, the adverse outcome of arterial aging on the downstream brain vasculature may be more profound in the presence of cardiovascular risk factors. The other factor that influences heart-brain interaction is the performance of the heart, as it is the source of pulsatility. In heart diseases, such as coronary artery disease, which is one of the prevalent age-related heart diseases among older adults, the cerebral blood flow could reduce.   In order to better understand the relationship between brain pulsatility and its association with brain structural and hemodynamic modifications, three studies were conducted. The impact of healthy aging on cerebral pulsatility and its association with cortical thickness was explored by examining healthy young and older individuals. A multi-modal brain imaging protocol was used to study cerebral pulsatility. Intracranial pulsatility was indexed with PC-MRI in the internal carotid and vertebral arteries and cerebrospinal fluid canal at the cervical subarachnoid space. The regional cerebral pulsatility across the cortex was quantified through a measure from functional NIRS data. The association of pulsatility and cognitive performance was then explored using the Stroop test. Functional NIRS data was used to index pulsatility in older adults with cardiovascular risk factor continuum conditions and coronary artery disease. There, functional NIRS enabled the study of cerebral hemodynamics even in a mobility-based experiment and so was employed to study the impact of low-intensity walking on the dynamics of cerebral pulsatility.   The results showed the potential of using functional NIRS to study brain pulsatility and indicated that cerebral pulsatility evolves in both healthy and in the presence of cardiovascular pathology. This research suggests promising avenues for future investigations on cerebral pulsatility as a potential index of cerebrovascular health and this parameter may become a new parameter in patients' clinical profiles.


identifier: Provost, V. (2020). Intégration au marché du stockage énergétique résidentiel après le compteur  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une nouvelle opportunité d'affaires fait présentement son apparition grâce à trois tendances clés sur le marché : (1) la croissance accélérée du nombre d'installation de panneaux solaires dans le marché résidentiel ; (2) la baisse rapide du coût des batteries ; et (3) l'émergence des prosommateurs. Ce mémoire propose un modèle d'affaires innovant pour exploiter le potentiel d'agrégation du stockage d'énergie résidentiel derrière le compteur. À haut niveau, l'agrégateur offre une compensation financière aux propriétaires de systèmes de stockage résidentiels afin d'utiliser leurs batteries pour fournir des services au réseau d'électricité. Un modèle d'optimisation a été élaboré pour évaluer le potentiel de ce modèle d'affaires et déterminer les modalités de compensation optimales pour les participants. Cette étude confirme qu'un tel modèle d'affaires pourrait s'avérer lucratif pour les distributeurs d'électricité agissant à titre d'agrégateur. Le principal facteur influençant le choix des modalités de compensation pour les participants est l'incitatif offert pour l'utilisation de la batterie en fonction des besoins de l'agrégateur. Cet incitatif est quantifié selon un pourcentage du prix de revente de l'électricité utilisée pour l'arbitrage. Selon les données pour le Rhode Island, les participants pourraient économiser en moyenne 100 $\$$ par an sur leurs factures d'électricité. Réciproquement, les distributeurs d'énergie pourraient réaliser des profits d'environ 100 $\$$ par participant. Étant donné le nombre croissant de clients possédant des systèmes de stockage, ces gains pourraient représenter dans le futur une source de revenus importante pour l'entreprise. Nos résultats confirment également la rentabilité du modèle tout au long de l'année, permettant ainsi de rapporter des revenus constants dans le temps. De plus, ces profits pourraient être accrus par l'offre de services additionnels, tels que pour des services auxiliaires, qui ne sont pas actuellement comptabilisés dans l'étude réalisée. Des bénéfices supplémentaires pourraient également provenir de la flexibilité offerte par la distribution de la capacité de stockage sur le réseau, notamment par la réduction de la congestion et le report d'investissements dans les actifs de transport et distribution d'électricité. Le tout serait possible sans investissements en capitaux dans des solutions de stockage d'énergie à l'échelle du réseau.  ABSTRACT: A new business opportunity is emerging with the combination of three key market trends: (1)Increased penetration of residential solar PV; (2) Rapid reduction of battery costs; and (3) Emergence of prosumers. This thesis proposes an innovative business model to harness the potential of aggregating behind-the-meter residential storage. In its simplest form, the aggregator compensates residential storage system owners for using their battery on an on-demand basis. An optimization model was developed to evaluate the potential of this proposed business model and determine the ideal compensation scheme for the participants. This study confirms there is a business case for utilities to implement such a business model. The main driver for the definition of the appropriate incentive is the compensation for usage which is based on a percentage of the resell price of the electricity used for arbitrage. Based on the Rhode Island data, participants could save on average $\$$100 per year on their energy bills. Reciprocally, the utility (acting as an aggregator) could make profits of approximately $\$$100 per participant. Given the growing number of customers with storage systems, these earnings could represent an important source of revenue for the utility. Our results also confirm the year-round profitability of the model, that could bring regular income for the utility. Moreover, additional profits could come from providing ancillary services, although these have not been quantified in this study. The utilities would also benefit from the flexibility provided by these distributed storage units, to address congestion problems and defer upgrades. All this would be possible without capital investment in grid-scale storage.


identifier: Sioui-Latulippe, O. (2020). Sur le développement de poudres et mélanges d'aciers ferritiques durcis avec du NiAl et des phosphures  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce document présente le développement d'un acier inoxydable ferritique durci par durcissement structural, allié avec de l'aluminium et produit par métallurgie des poudres pour des applications de résistance à l'usure et à la corrosion à 300 °C. Les principaux enjeux de ce projet ont été l'oxydation de l'aluminium et la formation de précipités NiAl dans la ferrite. Ce document donne une bonne idée du potentiel de ce type d'acier et identifie les défis à relever pour en continuer le développement. Dans cette étude, les phases responsables du durcissement structural sont des précipités riches en NiAl et des phosphures riches en chrome. Pour les compositions chimiques étudiées, le pic de dureté associé au NiAl est atteint à 550 °C alors qu'il est atteint à 500 °C pour les phosphures (revenus de 2 h) et le gain de dureté est nettement supérieur avec les phosphures (gain de 11 HRA) qu'avec les précipités NiAl (gain de 5 HRA). C'est en utilisant les deux phases en même temps qu'il est possible de maximiser la dureté et la résistance à l'adoucissement de l'acier ferritique. La première partie du texte présente le développement d'une poudre préalliée (LCR0 = 11.4 Cr, 10.0 Co, 5.7 Al, 5.1 Ni et Fe en %m) atomisée au gaz. À l'état atomisé, les particules sont recouvertes d'une fine couche (< 10 nm) d'oxyde riche en fer et contenant de l'aluminium. Lors du frittage d'un mélange contenant de la poudre de fer et de la poudre LCR0, l'aluminium diffuse à la surface des particules LCR0 et forme une couche d'alumine qui empêche le frittage. Il est toutefois possible d'activer le frittage à l'aide d'une phase liquide riche en Cu qui diffuse à l'interface acier/alumine, détache l'alumine de l'acier et la modèle sous forme de sphères dont le diamètre est de l'ordre du micron. La poudre LCR0 a également été mise en forme par frittage sélectif par laser. La surface des échantillons imprimés contient des fissures et la microstructure contient des particules arrondies d'alumine distribuées aléatoirement de tailles micrométriques et nanométriques. L'analyse des résultats suggère qu'utiliser une puissance de laser plus faible pourrait minimiser la quantité de fissures en surface des pièces imprimées. La deuxième partie du texte présente le développement d'un mélange pour fabriquer un acier par compaction et frittage contenant de la poudre d'acier inoxydable 316L, des particules de FeAl et des particules de Fe3P. Le frittage de ce type de matériau doit être effectué dans une atmosphère pauvre en azote étant donné que ce dernier consomme l'aluminium ce qui empêche la formation de précipités NiAl et peut même empêcher le frittage. Une dureté de 71 HRA a été obtenue avec un mélange contenant 15 %m de FeAl et 8 %m de Fe3P après un revenu de 24 h à 500 °C. Le matériau est durci par des précipités NiAl et des phosphures nanométriques. Le matériau est plus résistant à l'usure à 300 °C que l'acier de travail à chaud corroyé AISI H13 (profondeur d'usure de 268 µm et 309 µm respectivement) et forme une couche protectrice d'alumine lorsqu'exposé à l'air à haute température (900 °C). Cependant, la quantité de phosphore nécessaire pour assurer un bon frittage crée un réseau intergranulaire riche en phosphore qui fragilise le matériau et qui se corrode de manière préférentielle.   La dernière partie du texte évalue la possibilité de fritter ce type d'acier sans générer une phase intergranulaire fragile riche en phosphore. Bien que le cuivre soit efficace pour activer le frittage, celui-ci précipite avec une forme allongée dans la ferrite, agit comme site de germination hétérogène et modifie la morphologie des précipités NiAl primaires. Ceux-ci adoptent alors une forme allongée plutôt que la forme cubique usuelle ce qui diminue la dureté du matériau (54 HRA). L'utilisation de l'étain conjointement avec le cuivre provoque la formation de précipités de type (Cu,Ni)Sn dans la ferrite au lieu des précipités de cuivre. La formation de ces précipités au lieu des précipités de cuivre permet de rétablir la morphologie cubique des précipités NiAl ce qui a pour effet d'augmenter la dureté (de 54 à 64 HRA). Une poudre préalliée et atomisée à l'eau (15.7 Cr, 5.0 Ni, 2.5 Mo, 2.2 Al et Fe en %m) est recouverte d'une couche d'oxyde riche en fer qui contient de l'aluminium et des îlots d'oxynitrures riches en Al. La poudre contient également des flocons d'oxynitrures d'aluminium internes. Un mélange contenant cette poudre préalliée, 8 Cu, 2 Sn et 2 Fe3P (en %m) a une dureté de 63 HRA après un revenu de 24 h à 500 °C. La limite de rupture transversale de cet acier est supérieure à celle de l'acier contenant de la poudre 316L, 15 %m de FeAl et 8 %m de phosphore (830 vs 490 MPa), mais sa résistance à l'usure est inférieure (profondeur d'usure de 540 µm vs 268 µm).  Finalement, du NiMg a été ajouté à des mélanges pour protéger l'aluminium de l'oxydation lors du frittage. La protection est efficace lorsqu'un taux de chauffe rapide est utilisé lors du frittage. Le taux de chauffe limite à partir duquel la protection s'active reste encore à déterminer.  Ce document est possiblement un des premiers qui discute en détail de la métallurgie des poudres d'aciers alliés avec de l'aluminium. Les résultats, discussions et recommandations présentées constituent un nouveau point de départ pour en poursuivre le développement.  ABSTRACT: This document presents the development of an age-hardened ferritic stainless-steel alloyed with aluminum for resistance to wear and corrosion at 300 °C and produced by powder metallurgy. The main challenges of this project were the oxidation of aluminum and forming NiAl precipitates in ferrite. This document gives a good idea of the potential of this type of steel and identifies the challenges that remain. In this project, two different types of precipitates generate hardening: the NiAl-rich precipitates and chromium-rich phosphides. For the chemical compositions investigated, the peak hardness associated with the formation of the NiAl-rich precipitates is reached at 550 °C and that of phosphides is reached at 500 °C (dwell time = 2 h) and the amount of hardening is larger with the phosphides (gain of 11 HRA) than with the NiAl precipitates (gain of 5 HRA). The hardening effect and the resistance to softening are maximized when using both types of precipitates at the same time. The first part of the document presents the development of a gas-atomized pre-alloyed steel powder (11.4 Cr, 10.0 Co, 5.7 Al, 5.1 Ni et Fe wt%). The as-atomized particles are covered with a thin layer (< 10 nm) of an iron-rich oxide which also contains aluminum. During sintering, aluminum diffuses at the surface of the particles and forms an alumina layer that prevents sintering. Sintering can be activated with a copper-rich liquid phase which diffuses at the steel-alumina interface, detaches the alumina layer and shapes it into micrometric spheres. The powder was 3D printed with the selective laser melting process. The samples contain microscopic cracks located close to the surface. The microstructure contains micrometric and nanometric rounded alumina particles. Analysis of the results suggests that using a lower power could prevent the formation of cracks. The second part of the document presents the development of a mix to produce parts with the press and sinter process. The mix contains the 316L stainless steel powder, FeAl particles and Fe3P particles. Sintering must be performed in a nitrogen-free gas otherwise it reacts with aluminum and prevents the formation of NiAl and can even prevent sintering. A hardness of 71 HRA was reached with a mix containing 15 wt% FeAl, 8 wt% Fe3P and 316L after tempering 24 h at 500 °C. The material is hardened by NiAl and phosphide precipitates. The wear resistance of this material at 300 °C is better than that of the hot work tool steel AISI H13 (268 and 309 µm respectively). The material forms a protective alumina layer when exposed to air at high temperature (900 °C). However, the amount of phosphorus required to generate enough liquid phase to activate sintering also creates a P-rich inter-granular brittle network which corrodes preferentially.   The last part of this document investigates the possibility to sinter this type of material without generating an inter-granular brittle network by using liquid copper. Copper is efficient at activating sintering, but it modifies the morphology of the NiAl precipitates from cubic to elongated which reduces the hardness of the material (54 HRA). Using tin along with copper promotes the formation of CuSn or (Cu,Ni)Sn precipitates rather than copper precipitates. These new rounded precipitates restore the cubic shape of the NiAl precipitates. This explains at least partly the increase in hardness (from 54 to 643 HRA) that is obtained when admixing tin along with copper instead of using copper only. A pre-alloyed powder (15.7 Cr, 5.0 Ni, 2.5 Mo, 2.2 Al et Fe wt%) was water-atomized. The particles are covered with an iron-rich oxide layer which contains aluminum and patches of aluminum oxynitrides. The particles contain internal oxynitride flakes. The hardness of a mix containing this powder, 8 wt% Cu, 2 wt% Sn and 2 wt% Fe3P, is 63 HRA after tempering 24 h at 500 °C. The transverse rupture strength of this material is much larger than that of the mix containing the 316 L powder, 15 wt% FeAl and 8 wt% Fe3P (830 vs 490 MPa). The wear resistance, however, is less (540 µm). Finally, NiMg particles were admixed to protect the aluminum from oxidation during sintering. The protection is effective only when a fast heating rate is used which requires to neglect the delubrication step. The minimum heating rate beyond which the protection is activated should be determined in the future. This document is possibly the first to present details about the production of steels alloyed with aluminum by powder metallurgy. The results, discussions and recommendations presented here constitute a new starting point to continue the development of this type of steel.


identifier: Gémieux, M. (2020). Architecture matérielle logicielle pour l'exécution à latence réduite d'applications de télécommunications émergentes sur centre de données  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie des technologies de l'information et des communications fait face à une demande croissante de services sans fil et Internet omniprésents. Cette demande est alimentée par une explosion du nombre d'appareils mobiles riches en multimédia. Il a été estimé qu'à partir de cette année, 2020, le volume de trafic de données mobiles doublera chaque année pour plusieurs années. En conséquence, il en résulte une augmentation significative des dépenses en capital pour les systèmes construits sur les technologies actuelles de réseau d'accès ra-dio qui sont essentiellement basées sur des architectures avec une structure fixe utilisant des plates-formes propriétaires et des mécanismes de contrôle et de gestion de réseau distribués. D'autre part, pour garantir la qualité de service requise, les sous-systèmes sont dimensionnés en fonction des demandes de pointe. Par conséquent, l'extension du réseau aura un impact considérable sur les dépenses d'exploitation. La recherche proposée vise à développer une architecture matérielle et logicielle adaptée à une grappe d'unités de traitement virtualisée pour les signaux en bande de base d'accès radio en nuagique. Ce type d'architecture de-vra prendre en charge le traitement en temps réel avec des processeurs généralistes sur une plateforme hétérogène. Cela soulève deux défis principaux : la planification des tâches en temps réel et leur exécution d'une manière plus déterministe par rapport aux plates-formes généralistes existantes. Ainsi, les mécanismes d'allocation et de gestion des ressources dans les grappes informatiques doivent être revus. Le deuxième défi est d'obtenir un comporte-ment à faible variance qui implique deux préoccupations majeures : le temps de calcul et le délai de communication. Essentiellement, la variation du temps de calcul est inhérente à tous les processeurs généralistes. Néanmoins, l'infrastructure de communication des grappes informatiques existantes ne fournit aucun soutien pour les communications à faible variance. La recherche proposée est divisée en deux principaux sujets : Le calcul dynamique, l'allocation et la gestion des ressources réseau dans une grappeinformatique (hétérogène) : les algorithmes d'allocation dynamique des ressources et de planification des tâches en temps réel formeront la fonctionnalité de base prise en charge par le plan de contrôle. Afin de répondre aux fortes contraintes en temps réel de cette classe d'applications, une implémentation matérielle parallèle basée sur circuit logique programmable (FPGA) du plan de contrôle est proposée.  ABSTRACT: The Information and Communications Technology industry is facing an increasing demand for ubiquitous wireless and Internet services introduced by an explosion of multimedia-rich mobile devices. It is estimated that starting this year, 2020, the volume of mobile data traÿcs will double every year. Consequently, it results in significant increases of capital expenditures for systems built on the current Radio Access Network technologies, which are essentially based on architectures with a fixed structure (not reconfigurable) using proprietary platforms with distributed network control and management mechanisms. To ensure the required quality of service, subsystems are dimensioned with respect to the peak demands. Therefore, network expansion will considerably impact on operating expenditures. This thesis aims at developing an architecture at both hardware and software levels suitable for a virtualized Baseband Processing Unit pool in Cloud Radio Acces Network in order to support real-time processing in a General Purpose Processor based platform. This raises two main challenges: scheduling tasks in real-time and executing them in a manner that is reduces variance compared to the existing General Purpose Processor based platforms. Real-time tasks from radio air interface in the Cloud Radio Access Network must be scheduled at a finer grain and must be completed within a given timeslot. Thus, mechanisms for resource allocation and management in computing clusters must be revisited. The second challenge is obtaining a behavior with reduced variability that involves two major concerns: computing time and communication delay. Nevertheless, the communication infrastructure of existing computing clusters does not provide any support for low variance communications. The proposed research is divided into the following main subjects:Adaptive computing and network resource allocation and management in (hetero-geneous) computing clusters: The algorithms for dynamic resources allocation and real-time task scheduling will form the core functionality that the control plane will support. In order to meet the hard real-time constraints of that class of applications, a parallel Field Programable Gate Array based hardware implementation of the control plane is proposed.


identifier: Bonin, D. (2020). The Impact of a Packaging Tax on the Eco-Efficiency of Industrial Packaging  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de ce mémoire est d'évaluer l'impact de la tarification sur les emballages gérée par l'organisme Éco Entreprises Québec (ÉEQ) depuis 2005 au Québec. Plus précisément, il est question de l'impact de ce tarif sur l'éco-efficience de l'utilisation des emballages par les entreprises à travers 20 secteurs industriels au Québec. À l'aide de données sur l'utilisation de matériaux d'emballages par les entreprises entre 2005 et 2017 (fournies par ÉEQ), ainsi que des statistiques sur les ventes annuelles par secteur industriel, un indicateur d'éco-efficience est construit en terme de dollars ($) par kg de matériaux d'emballages utilisés. Cet indicateur permet d'observer l'évolution de l'éco-efficience de l'utilisation des emballages par les secteurs industriels au Québec entre 2005 et 2017. De manière globale, il est difficile d'établir une tendance claire au Québec durant cette période, puisque certains secteurs ont enregistré une grande amélioration alors que pour d'autre l'éco-efficience a chuté de manière vertigineuse. Cependant, avec cet indicateur d'éco-efficience, et un format des données dites longitudinales, il est possible de spécifier une modélisation économétrique qui puisse estimer l'impact du tarif sur l'éco-efficience, en prenant en compte l'hétérogéneité de chacun des secteurs industriels. Les résultats de ce modèle revèlent un effet positif du tarif sur l'éco-efficience pour deux type de matériaux d'emballages: les bouteilles de PET (Polyethylene Terephtalate) ainsi que le carton ondulé. Cependant l'impact du tarif sur l'acier sur l'éco-efficience s'avère négatif. La méthodologie ainsi que l'indicateur d'éco-efficience développé dans ce travail peuvent servir d'outil d'aide à la décision afin d'aider à améliorer les politiques de tarifications sur les emballages.  ABSTRACT: In this paper the main objective was to evaluate the impact of the packaging tax on the eco-efficiency of the packaging practices of 20 industrial sectors in the province of Quebec, Canada. To this end, an eco-efficiency indicator is constructed from data on industrial sales and packaging material use. This indicator can offer one perspective on the evolution of packaging eco-efficiency across industrial sectors from 2005-2017. Overall, many sectors improved their eco-efficiency over time, but several stagnated and others regressed. With this new indicator, and the panel data structure across industrial sector, a Least Square Dummy Variable (LSDV) model was estimated in order to quantify the impact of the packaging tax on the eco-efficiency. Using an interaction term between the quantities, taxes and also prices, while also controlling for unobserved heterogeneity and sector sales, a statistically significant, positive effect was established for the packaging tax on corrugated cardboard and PET bottles. However, a negative effect was found for the packaging tax on steel, which is somewhat contrary to what would be expected. These results, along with the eco-efficiency indicator, can provide a framework to help to improve the policy instruments designed to tackle issues related to packaging practices.


identifier: Bakhtiari, M. (2020). Nonlinear vibration and Supersonic Flutter of Conical Shells  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les coques coniques sont utilisées dans la conception d'une variété de composants de véhicules aérospatiaux, allant des réservoirs de carburant externes des avions de chasse aux lanceurs de satellites. Par conséquent, l'analyse de leurs comportements dynamique et aéroélastique est de grande importance pour la conception de ces structures. Depuis que des études expérimentales ont rapporté que le flottement supersonique se produit à des amplitudes ayant le même ordre de grandeur que l'épaisseur de la coque, les théories géométriques non-linéaires des coques sont de plus en plus utilisées. Ces dernières permettent une meilleure compréhension du phénomène et des résultats plus précis. Plusieurs théories des coques basées sur différentes hypothèses simplificatrices de la cinématique non linéaire ont été développées au cours des dernières décennies, y compris les théories des coques de Donnell, de Sanders et de Novozhilov. Ces théories se distinguent principalement par leurs différentes hypothèses dans le développement des relations de déplacements à la surface moyenne de la coque. La théorie de Donnell a introduit l'effet non linéaire du second ordre du déplacement normal à la surface moyenne lors du développement de la déformation dans le plan. La théorie de Sanders utilise la forme exacte des équations de « petites déformations » pour les déformations membranaires et un ensemble d'équations linéarisées pour les changements des courbures et des torsions de la surface de référence. Plus récemment, Nemeth a développé une théorie qui utilise les relations exactes non linéaires de déformation-déplacement avec des hypothèses de rotations modérées et de petites déformations. Cette théorie peut reproduire la théorie de Donnell et celle de Sanders en tant que cas particuliers, tout en offrant la possibilité de mener une étude comparative entre les prédictions de ces deux théories. Les relations déformation-déplacement peuvent être utilisées pour obtenir les équations d'équilibre et du mouvement des coques. La discrétisation de ces équations est faite en utilisant la méthode des éléments finis (MEF). Un avantage attrayant de cette méthode est sa flexibilité supérieure dans la gestion de différentes conditions aux limites. L'objectif de cette thèse est d'étudier les vibrations non linéaires et le flottement supersonique des coques coniques tronquées. Une formulation par la MEF hybride est d'abord développée sur la base de la solution exacte de la théorie améliorée de la première approximation de Sanders pour les coquilles minces. Par la suite, les équations non linéaires du mouvement des coques ont été obtenues en utilisant la méthode des coordonnées généralisées et des théories de coques non linéaires. Les coordonnées généralisées ont été choisies en fonction du déplacement nodaux de la coque. L'interaction fluide-structure induite par l'écoulement supersonique a été modélisée en utilisant la théorie de piston. Les effets de raidissement dus aux charges axiales et à la pression interne ont également été modélisés en les exprimant en termes des déplacements nodaux. Pour obtenir la réponse non linéaire de la vibration de la coque sans fluide, un algorithme a été développé basé sur la méthode de réponse harmonique modifiée et sur l'approche de Galerkin dans le domaine temporel. Cet algorithme peut fournir la fréquence de vibration non linéaire en fonction de la variation de l'amplitude de vibration. Une version améliorée du ce même algorithme a également été utilisée pour obtenir la réponse de flottement supersonique. Le modèle développé et l'outil numérique ont la capacité d'effectuer les analyses suivantes: i) Prédiction des vibrations naturelles linéaires des coques coniques tronquées sous pression et/ou sous charges axiales. Différents schémas de conditions aux limites ont pu être étudiés et les prédictions obtenues sont en bon accord avec les résultats expérimentaux rapportés dans la littérature. ii) Prédiction du début de divergence et du flottement linéaire des coques coniques tronquées sous pression et/ou sous charges axiales pour différentes conditions aux limites. Les prédictions de cette méthode ont été validées positivement par des expériences sélectionnées dans la littérature. Les réservoirs sous pression se sont révélés déstabilisés à des pressions dynamiques plus élevées. iii) Prédiction des vibrations non linéaires des coques coniques tronquées à vide prédite par les théories de Donnell, Sanders et Nemeth. La réponse axisymétrique des coques coniques tronquées étudiées a démontré un comportement de durcissement selon des courbes de l'épine dorsale. Dans les cas étudiés, bien que de légères différences entre la force des prédictions de la cinématique non linéaire de Donnell et deux autres théories aient pu être identifiées, il a été constaté que les différences entre les prédictions des théories de Sanders et de Nemeth sont négligeables. Par conséquent, en raison de son coût de calcul moins cher, la coniques tronquées. Une formulation par la MEF hybride est d'abord développée sur la base de la solution exacte de la théorie améliorée de la première approximation de Sanders pour les coquilles minces. Par la suite, les équations non linéaires du mouvement des coques ont été obtenues en utilisant la méthode des coordonnées généralisées et des théories de coques non linéaires. Les coordonnées généralisées ont été choisies en fonction du déplacement nodaux de la coque. L'interaction fluide-structure induite par l'écoulement supersonique a été modélisée en utilisant la théorie de piston. Les effets de raidissement dus aux charges axiales et à la pression interne ont également été modélisés en les exprimant en termes des déplacements nodaux. Pour obtenir la réponse non linéaire de la vibration de la coque sans fluide, un algorithme a été développé basé sur la méthode de réponse harmonique modifiée et sur l'approche de Galerkin dans le domaine temporel. Cet algorithme peut fournir la fréquence de vibration non linéaire en fonction de la variation de l'amplitude de vibration. Une version améliorée du ce même algorithme a également été utilisée pour obtenir la réponse de flottement supersonique. Le modèle développé et l'outil numérique ont la capacité d'effectuer les analyses suivantes: i) Prédiction des vibrations naturelles linéaires des coques coniques tronquées sous pression et/ou sous charges axiales. Différents schémas de conditions aux limites ont pu être étudiés et les prédictions obtenues sont en bon accord avec les résultats expérimentaux rapportés dans la littérature. ii) Prédiction du début de divergence et du flottement linéaire des coques coniques tronquées sous pression et/ou sous charges axiales pour différentes conditions aux limites. Les prédictions de cette méthode ont été validées positivement par des expériences sélectionnées dans la littérature. Les réservoirs sous pression se sont révélés déstabilisés à des pressions dynamiques plus élevées. iii) Prédiction des vibrations non linéaires des coques coniques tronquées à vide prédite par les théories de Donnell, Sanders et Nemeth. La réponse axisymétrique des coques coniques tronquées étudiées a démontré un comportement de durcissement selon des courbes de l'épine dorsale. Dans les cas étudiés, bien que de légères différences entre la force des prédictions de la cinématique non linéaire de Donnell et deux autres théories aient pu être identifiées, il a été constaté que les différences entre les prédictions des théories de Sanders et de Nemeth sont négligeables. Par conséquent, en raison de son coût de calcul moins cher, la théorie de Sanders peut être utilisée pour les classes de coques étudiées dans les travaux en cours. iv) Prédiction du comportement de flottement supersonique non linéaire de cônes tronqués sous pression et/ou sous charges axiales pour les trois théories non linéaires susmentionnées. Pour les cas étudiés, la cinématique non linéaire a diminué la stabilité de la coque lorsqu'elle est exposée au champ d'écoulement supersonique. Les vibrations non linéaires et le flottement ont été validés par les cas rapportés de coques cylindriques, qui ont été simulées via un cône tronqué avec un angle de cône très petit. L'application de la MEF permet la modélisation de différentes conditions aux limites et géométries des coques coniques tronquées. Ce programme, en comparaison avec les logiciels commerciaux, est moins coûteux en termes de calcul et il capable de modéliser comportement non linéaire qui reste une tâche difficile pour beaucoup de logiciel.  ABSTRACT: Conical shells have important applications in the design of a variety of aerospace vehicles, ranging from external fuel tanks of fighter jets to satellite launch vehicles. Hence, vibrational and aeroelastic analyses are important criteria in the design of these structures. Since experimental studies have reported that supersonic flutter occurs at amplitudes with the same order of magnitude as the thickness of the shell, geometrically nonlinear shell theories can provide a better and more accurate understanding of these problems. Different shell theories with different levels of approximation and simplifying assumptions for nonlinear kinematics have been developed in past decades, including Donnell's, Sanders' and Novozhilov's shell theories. The differences between these theories mostly can be attributed to their different assumptions in the development of the strain-displacement relationship on the middle surface of the shell. Donnell's theory introduced the secondorder nonlinear effect of normal-to-surface displacement in developing the in-plane strain. Sanders' theory employed the exact form of the “small-strain” equations for the membrane strains and a set of linearized equations for the changes in the reference-surface curvature and torsions. More recently, Nemeth developed a theory that employed the exact nonlinear strain-displacement relations with presumptions of moderate rotations and small strains. This theory can reproduce Donnell's and Sanders' theories as an explicit subset while providing an opportunity to conduct a comparative study between the predictions of those theories. The strain-displacement relationships can be employed to obtain the equilibrium and equations of motion for shells.One important family of discretization of these equations is the finite elements method (FEM). One attractive advantage of the FEM is its superior flexibility in handling different boundary conditions. The objective of this thesis is to investigate the nonlinear vibration and supersonic flutter of truncated conical shells. In this thesis, a hybrid FEM formulation is first developed based on the exact solution of Sanders' improved first-approximation theory for thin shells. Then, utilizing the generalized coordinates method and nonlinear shell theories, the nonlinear equations of motion for shells were obtained. The generalized coordinates were chosen in terms of the nodal displacement of the shell. Fluid structure interaction as a result of exposure to the supersonic flow was modeled using the piston theory. The effects of axial loads and internal pressure were also modeled in terms of nodal displacements. To obtain the nonlinear response of the shell's vibration in vacuo, an algorithm was developed based on the modified harmonic response method that employed Galerkin's approach in the time domain. This algorithm can provide the nonlinear vibration frequency as a result of the variation in vibration amplitude. An improved version of the same algorithm was also used to obtain the supersonic flutter response. The developed model and numerical tool have the capability to perform the following analyses: i) Prediction of linear natural vibration of pressurized truncated conical shells under axial loads. Different schemes for boundary conditions could be studied and the predictions found to be in good accordance with the experimental results reported in literature. ii) Prediction of linear flutter onset and divergence of pressurized truncated conical shells under axial loads under different boundary conditions. The predictions of this method were validated against selected experiments in the literature with good agreement. The pressurized shells were found to be destabilized at higher dynamic pressures. iii) Prediction of nonlinear vibration of truncated conical shells in vacuo predicted by Donnell's, Sanders' and Nemeth's theories. The axisymmetric response of the studied truncated conical shells demonstrated a hardening behavior in the backbone curves. In the studied cases, while slight differences between the strength of predictions of Donnell's nonlinear kinematics and two other theories could be identified, it was found that the differences between the predictions of Sanders' and Nemeth's theories were negligible. Hence, due to its less expensive computational cost, Sanders' theory can be used for the classes of shells investigated in the current work. iv) Prediction of nonlinear supersonic flutter behavior of pressurized truncated conical shells under axial loads for three selected nonlinear theories. For the studied cases, the nonlinear kinematics decreased the shell's stability when it was exposed to the supersonic flow field. Both nonlinear vibration and flutter were validated against reported cases of cylindrical shells, which were simulated via a truncated cone with a very small cone angle. The developed FEM application can be used to model different boundary conditions and geometries of truncated conical shells. Both nonlinear vibration and flutter were validated against reported cases of cylindrical shells which were simulated via a truncated cone with a very small cone angle. The developed FEM application can be used to model different boundary conditions and geometries of truncated conical shells. This program in comparison to general application commercial applications is computationally less expensive and can model nonlinear behaviors that are difficult to model with them.


identifier: Namvar, S. (2020). High Fidelity Numerical Simulation of 3D Arc Extinction in a High Voltage Circuit Breaker  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette recherche vise la simulation numérique 3D de l'arc dans un disjoncteur à haute tension SF6 à courant zéro. Dans le but de capturer et de quantifier les instabilités 3D de l'arc à courant zéro, la méthode des volumes finis est utilisée pour résoudre des équations Euler (modifiées pour les gaz réel). La méthode WENO (Weighted Essentially Non-Oscillatory) est utilisée pour atteindre une précision spatiale du 5e ordre pour une compréhension à haute résolution des phénomènes complexes impliqués dans la simulation d'arc. Le chauffage ohmique est obtenu en utilisant une méthode de différence finie compacte du 4ème ordre et le transfert d'énergie radiative est modélisé via la méthode P1. Une méthode TVD Runge- Kutta de troisième ordre est implémentée pour l'intégration temporelle. Le domaine de calcul est un cuboïde, discrétisé en maillage cartésien, à l'intérieur de la buse du disjoncteur qui comprend l'arc et exclut les parois solides et les deux électrodes. L'arc est allumé via un code interne à l'intérieur de la buse. Les résultats sont ensuite cartographiés sur le cuboïde et le courant est réduit à zéro une fois que l'état stationnaire est atteint. Pour étudier les effets 3D de l'arc, une légère asymétrie est imposée à la configuration du problème en déplaçant le domaine de calcul de sorte que l'axe de l'arc ne coïncide pas avec la ligne de symétrie du cuboïde. L'effet de ce déplacement est mesuré sur la résistance électrique du milieu gazeux à l'arc. En comparant le profil numérique de température radiale avec la mesure de température, il est conclu que le schéma WENO et les résultats du premier ordre tombent dans une plage de précision acceptable et la méthode WENO prédit un profil de température plus précis. On observe également que les résultats sont plus précis pour le noyau d'arc que pour les frontières d'arc, en raison de l'absence des termes visqueux responsables de la diffusion d'énergie et du mélange turbulent. Il est également conclu que les équations d'Euler sont capables de capturer les effets 3D de l'arc. Ces effets doivent être pris en compte dans la conception des disjoncteurs car ils sont directement proportionnels à la résistance du milieu gazeux qui a un fort impact sur l'efficacité du disjoncteur.  ABSTRACT: This research aims at 3D numerical simulation of arc inside an SF6 high voltage circuit breaker at current zero. With the goal of capturing and quantifying the arc 3D instabilities at current zero, FVM is used to solve real-gas-modified Euler equations. A Weighted Essentially Non- Oscillatory (WENO) method is employed to reach a 5th order spatial accuracy for a better understanding of complex phenomena involved in the arc simulation. The ohmic heating is solved using a 4th order compact finite difference method and the radiative energy transfer is modelled via P1 method. A 3rd order TVD Runge-Kutta integration method is implemented to represent the solver evolution in time. The computational domain is a cuboid, discretized on a Cartesian grid, inside the circuit breaker nozzle which includes the arc and excludes the nozzle walls and the two electrodes. The arc is ignited via an in-house code inside the nozzle. The results are then mapped to the cuboid and the current is ramped down to zero once the steady state is reached. To investigate the arc 3D effects, a slight asymmetry is imposed to the problem configuration by moving the computational domain so the arc axis does not coincide the line of symmetry of the cuboid. The effect of this displacement is measured on the arc gaseous medium resistance. Comparing the numerical radial temperature profile with temperature measurement, it is concluded that although both the WENO scheme and the 1st order results fall into an acceptable range of accuracy, the WENO method predicts a more accurate temperature profile. It is observed that the results are more accurate for the arc core than the arc boundary, due to the absence of the viscous terms who are responsible for energy diffusion and turbulent mixing in the arc boundary. It is concluded that the Euler equations are capable of capturing the arc 3D effects. These effects should be considered in circuit breakers design since they are directly proportional to the medium resistance which has a strong impact on the circuit breaker efficiency.