identifier: Sawadogo, T. (2012). Modélisation de l'instabilité fluidélastique d'un faisceau de tubes soumis à un écoulement diphasique transverse  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude porte sur la modélisation de l'instabilité fluidélastique induite par les écoulements diphasiques dans les faisceaux de tubes. La problématique se pose au sein des faisceaux de tubes des générateurs de vapeur des centrales nucléaires qui comportent des milliers de tubes assurant l'échange d'énergie entre le réacteur et les turbines qui produisent l'électricité. Ces tubes sont immergés dans un écoulement diphasique constitué d'un mélange eau-vapeur. A la suite de cette immersion, les tubes sont soumis à des excitations induites par l'écoulement diphasique. Les mécanismes d'excitations ont été identifiés comme étant : les forces de turbulence, les forces résultant des tourbillons alternées, les forces liées à la résonance acoustique, les forces quasi-périodiques et enfin les forces fluidélastiques. Les forces fluidélastiques sont différentes par nature des autres mécanismes d'excitation car elles sont couplées au mouvement de la structure. De plus, lorsque la vitesse de l'écoulement devient suffisamment grande, et dépendant de la fréquence du tube, de la configuration du faisceau, et de l'effectivité des supports, les forces fluidélastiques peuvent croître avec le mouvement de la structure, provoquant ainsi une instabilité appelée instabilité fluidélastique. L'amplitude des vibrations augmente alors rapidement, pouvant ainsi conduire à l'endommagement des tubes par fatigue ou leur usure par frottement. En l'état actuel des connaissances, la durée de vie des tubes est prédite par calcul de puissances d'usure. Ce calcul est effectué en simulant la réponse du tube aux forces d'excitation et en extrayant les forces de contact et les déplacements au niveau des supports. Comme les forces fluidélastiques constituent le mécanisme le plus sévère, leur modélisation physique est nécessaire. Le modèle le plus utilisé actuellement est le modèle quasi-statique de Connors mais ce modèle est connu pour sous-estimer la vitesse critique d'instabilité en plus de présenter peu de sens physique. Plusieurs autres modèles théoriques existent mais tous ont été développés pour des écoulements monophasiques alors que les faisceaux de tube des générateurs de vapeurs opèrent au sein d'écoulements diphasiques. L'objectif principal de ce projet de recherche est donc d'étendre les modèles d'études de l'instabilité fluidélastique aux écoulements diphasiques, de les valider, puis de développer un code de simulation des vibrations induites par les écoulements diphasiques au sein des faisceaux de tubes. Le modèle quasi-stationnaire a fait l'objet d'une investigation étendue au cours de ce projet.  ABSTRACT: This study focuses on the modeling of fluidelastic instability induced by two-phase cross-flow in tube bundles of steam generators. The steam generators in CANDU type nuclear power plants for e.g., designed in Canada by AECL and exploited worldwide, have thousands of tubes assembled in bundles that ensure the heat exchange between the internal circuit of heated heavy water coming from the reactor core and the external circuit of light water evaporated and directed toward the turbines. As a result of their immersion in the two-phase flow, the tubes in the bundle are subjected to flow induced vibration, mostly in the upper U-bend region. The fluid excitation mechanisms have been identified as: turbulent buffeting, vortex shedding, acoustic resonance, quasi-periodic forces and fluidelastic forces. The fluidelastic forces are different in nature from the other types of excitation mechanisms because they are motion dependent. At sufficiently high velocities, and depending on the tube frequency, the tube bundle configuration and the support effectiveness, the forces may increase with the structure motion, resulting in an instability known as fluidelastic instability. As a consequence, the vibration magnitude increases rapidly and this can lead to tube damage by fatigue or fretting wear. In the current state of the art, the lifetime of the tubes is predicted using wear rate calculations. These computations are done by simulating the tube vibratory response to the fluid force excitations. Since the fluidelastic forces are the most severe type of flow-induced excitation, a correct fluidelastic model is needed to obtain accurate results. The currently used model, i.e. the Connors model is known to be very conservative. Besides, it gives no physical insight into the issue of fluidelastic instability. Several other models have been developed by researchers but all of these models were developed for single phase flow whereas tube bundles in steam generators operate mostly in two-phase flow. The main objective of this research project is to extend the theoretical models for fluidelastic instability to two-phase flow, validate the models and develop a computer program for simulating flow induced vibrations in tube bundles. The quasi-steady model has been investigated in scope of this research project. The time delay between the structure motion and the fluid forces generated thereby has been extensively studied in two-phase flow.


identifier: Guiassa, R. (2012). Méthodes de compensation des erreurs d'usinage utilisant la mesure sur machines-outils  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse vise à développer des modèles mathématiques qui utilisent les données d'inspection en semi-finitions pour formuler la compensation de la passe de finition afin d'améliorer la précision d'usinage. Pour la rentabilité industrielle, les tâches de mesure et de compensation doivent être effectuées sous la condition de l'usinage à porte fermée sans interventions humaines. La mesure sur machines-outils est utilisée pour inspecter la pièce immédiatement après la coupe toute en gardant le même montage. Elle détecte les défauts de fabrication vus par la machine-outils. Le fléchissement du système machine-outil-pièce et l'imprécision des dimensions de l'outil de coupe sont les sources les plus importantes de ces défauts. La pièce usinée peut ainsi être inspectée en semi-finitions pour prédire les déviations systématiques qui pourraient survenir plus tard à la passe de finition. Donc, afin de produire une pièce avec une précision acceptable, des actions de correction peuvent être dérivées pour anticiper l'erreur attendue. L'erreur est modélisée comme étant la somme de deux composantes. Une composante indépendante de la profondeur de coupe et liée à la dimension de l'outil tel que l'usure. L'autre dépend de la profondeur de coupe telle que le fléchissement. Un modèle général est présenté, qui relie seulement les résultats d'inspection sur machine-outils pour compenser la passe finale. Le coefficient variable de la compliance de coupe relie, en mode multi-passe, le fléchissement total à la profondeur de coupe. Il est utilisé pour estimer la compensation de la trajectoire. Le modèle est capable de prendre en compte l'effet de la variation de la profondeur de coupe et de l'enlèvement de la matière dans l'estimation de la compensation. Afin de générer la trajectoire compensée sous forme continue à partir de mesures discrètes, une technique de déformation de B-Spline est adoptée pour les données disponibles et appliquées pour calculer la trajectoire compensée à partir d'un nombre limité de vecteurs de compensation discrètes. Les résultats montrent que les erreurs mesurées sur machine-outils peuvent être réduites significativement en utilisant le modèle de compensation proposé. La machine à mesurer tridimensionnelle est utilisée pour vérifier la mesure sur machine de bague étalon. Pour une plaque mince, une erreur de 78 μm est réduite à moins de ± 3 μm. Pour une paroi circulaire avec une raideur variable l'erreur est réduite de -60 à ± 6 μm. Pour une plaque mince de forme libre semblable à un profil aérodynamique, représenté par B-Spline, l'amélioration est de 140 μm à ± 20 μm.  ABSTRACT: On-machine measurement process is used to inspect the part immediately after the cut without part removal and additional setups. It detects the machining defects visible to the machine tool. The system machine-tool-part deflection and the cutting tool dimension inaccuracy are the most important sources of these defects. The machined part can be inspected, at the semi-finishing cut level to identify systematic defects that may occur later at the finishing cut. Therefore, corrective actions can be derived to anticipate the expected error in order to produce a part with acceptable accuracy. For industrial profitability, the measurement and the compensation tasks must be done under the closed door machining requirement without human interventions. This thesis aims to develop mathematical models that use the data inspection of previous cuts to formulate the compensation of the finishing-cut. The goal of the compensation is to anticipate the expected error which is identified under two components. One is independent on the depth of cut and is related to the cutting tool dimension such as the wear. The other is dependent on the cutting depth such as the deflection. A general model is presented which relies solely on-machine probing data from semi-finishing cuts to compensate the final cut. A variable cutting compliance coefficient relates the total system deflection to the depth of cut in multi-cut process. It is used to estimate the compensation of the tool path. The model is able to take into account the effect of the cutting depth variation and the material removal in the estimation of the error at the finishing-cut. In order to generate the continuous compensated tool path from discrete measurements, a B-Spline deformation technique is adapted to the available data and applied to compute the compensated tool path according to a restricted number of discrete compensation vectors. The results show that the on-machine probed errors can be significantly reduced using the proposed compensation model. The coordinate measurement machine is used to verify the on machine measurement of a ring gauge. For a simple straight thin wall, an error of 78 μm is reduced to less than ± 3 μm. For a circular wall with variable stiffness using a multi-cut process, the error is reduced from -60 μm to ±6 μm. For a free form thin wall similar to airfoil profile represented with the B-Spline, the improvement is from +140 μm to ±20 μm.


identifier: St-Gelais, R. (2012). Fundamentals and Applications of On-Chip Interferometers Based on Deep-Etched Silicon-Air Multilayer Reflectors  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les technologies de gravure profonde de silicium par plasma peuvent être utilisées pour la fabrication de miroirs verticaux à alternance de couches de silicium et d'air. Comparativement aux miroirs hors-plan fabriquées par déposition de couches minces, ces miroirs verticaux peuvent être intégrés, de façon simple et monolithique, à une importante variété de dispositifs tels que des tranchées pour l'alignement passif de fibres optiques, des systèmes microfluidiques, des guides d'ondes et des microsystèmes d'actionnement électromécaniques (MEMS). Par contre, tous les dispositifs rapportés à ce jour se sont montrés affectés par d'importantes pertes d'insertion (> 10 dB) lesquelles se sont traduites, dans la majorité des cas, par de faibles capacités de confinement de la lumière (ex: faibles finesses dans le cas d'interféromètres Fabry-Pérot). Le premier objectif de ce travail est donc d'identifier les sources de pertes et les limites technologiques affectant les interféromètres à miroirs multicouches verticaux. Des modèles théoriques permettant la prédiction de pertes—dues à la divergence angulaire du faisceau Gaussien incident, à la rugosité de surface aux interfaces silicium-air, à la verticalité imparfaite des profils de gravure et aux erreurs d'alignement entre les fibres optiques de couplage—sont fournis. Il est démontré que les trois premières de ces quatre sources de pertes sont généralement significatives. Par contre, pour ce qui est des dispositifs présentés dans cette thèse, il est démontré que l'erreur sur la verticalité des profils de gravures (~ 0.04°) est négligeable comparativement aux pertes causées par la rugosité de surface (30 nm RMS) et par la divergence du faisceau Gaussien incident. Il est finalement démontré que la quatrième source de perte (erreur d'alignement entre fibres optiques) peut être négligée dans pratiquement tous les cas. Puisque ces modèles correspondent remarquablement bien à nos résultats expérimentaux, nous sommes en mesure d'établir des limites claires quant aux possibilités des interféromètres à multicouches silicium-air fabriqués par gravure profonde. À l'intérieur de ces limites, trois nouveaux dispositifs—pour des applications potentielles comme capteurs biomédicaux, capteurs chimiques ou comme composants pour réseaux de télécommunication par fibre optique—sont proposés. Premièrement, un interféromètre Fabry-Pérot est intégré à un réseau microfluidique de silicium et est utilisé pour mesurer l'indice de réfraction de liquides. La sensibilité à l'indice de réfraction obtenue (907 nm/RIU) est considérablement élevée et, fait important, est indépendante  ABSTRACT: Deep reactive ion etching (DRIE) of silicon can be used to fabricate vertical (i.e. in-plane) silicon-air multilayer mirrors. In comparison with out-of-plane reflectors fabricated by thin film deposition, in-plane multilayer assemblies can be monolithically integrated with a variety of useful structures such as passive optical fiber alignment grooves, microfluidic systems, waveguides, and microelectromechanical (MEMS) actuators. However, all previously reported devices suffered from high insertion losses (> 10 dB) which translated, in most cases, in weak light confinement abilities (e.g. low finesses in the case of Fabry-Perot cavities). The first objective of this work is therefore to investigate the sources of loss and the technological limitations that affect interferometers based on deep-etched multilayer reflectors. Theoretical models for the prediction of losses—due to Gaussian beam divergence, surface roughness at silicon-air material interfaces, imperfect verticality of the etch profiles, and misalignment between input and output coupling optical fibers—are provided. Of these four loss mechanisms, the first three are demonstrated to be generally significant. For the devices presented in the current thesis, however, verticality deviation of the etch profiles (etch angle error ~ 0.04°) is found to be negligible compared with the measured contributions of surface roughness (30 nm RMS) and Gaussian beam divergence. The fourth loss mechanism (fiber misalignment) is found to be essentially negligible in all cases. These theoretical models are demonstrated to correspond remarkably well with our experimental results, such that we are able to state clear boundaries on the possibilities and limitations of interferometers based on deep-etched silicon-air multilayer reflectors. Within these boundaries, three new devices—with potential applications in biomedical sensing, chemical sensing, and optical fiber telecommunications—are investigated. Firstly, a deep-etched Fabry-Perot interferometer is monolithically integrated with a silicon microfluidic system and is used to measure the refractive index of homogenous liquids. The refractive index sensitivity of this interferometer (907 nm/RIU) is found to be considerably high and, interestingly, to be independent of insertion losses. A refractive index resolution among the highest reported, for volumetric sensing in microfluidic systems, is consequently achieved (1.7×10−5 RIU), even if high insertion losses (~ 25 dB) and low resonance finesse (< 10) affect the interferometer. This sensor performs measurements in volumes (~ pL) similar to those of single living cells, and allows great flexibility in the design of monolithically integrated


identifier: Ramzi, R. (2012). Comportement dynamique non linéaire des coques cylindriques anisotropiques non uniformes soumises à un écoulement supersonique  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'analyse des coques minces soumises à un écoulement d'air supersonique a été le sujet de plusieurs recherches. La plupart de ces études traite de l'analyse linéaire des coques cylindriques ouvertes avec ou sans écoulement supersonique. Peu de travaux ont été faits pour l'analyse non linéaire (géométrique et/ou du fluide) des coques cylindriques fermées soumises à l'écoulement supersonique. On propose dans cette thèse le développement d'un modèle qui est capable d'analyser linéairement et non linéairement des coques minces, élastiques, anisotropes, fermées et soumises à des pressions internes et d'écoulement d'air supersonique externe. La dynamique non linéaire et l'instabilité de flottement des coques cylindriques circulaires fermées sont aussi analysées. La méthode développée est une combinaison de la méthode des éléments finis, de la théorie des coques minces et de la théorie aérodynamique du fluide. Les coques fermées, sujet de l'étude, sont principalement simplement supportées et les autres conditions frontières arbitraires sont aussi traitées. La première partie de ce travail traite l'analyse non linéaire structurale (grande amplitude de vibration) des coques cylindriques vides et fermées. La coque est divisée en plusieurs éléments finis de type coque cylindrique fermée et les fonctions de déplacements linéaires sont dérivées de la théorie de coque cylindrique mince de Sanders. Les coefficients modaux sont dérivés de la théorie non linéaire de Sandres-Koiter pour les coques cylindriques minces en termes des fonctions de déplacements linéaires développées. Les matrices de rigidité non linéaires du second et troisième ordre sont déterminées à partir de la méthode des éléments finis. Les équations non linéaires sont résolues par la méthode numérique de Runge-Kutta d'ordre quatre. Les fréquences linéaires et non linéaires sont alors déterminées en fonction de l'amplitude du mouvement de la coque pour plusieurs cas. Les résultats obtenus sont en bonne concordance avec ceux des autres auteurs. Dans la seconde partie de cette thèse, on présente un modèle pour l'analyse de flottement des coques cylindriques, soumises à un écoulement supersonique externe. L'équation linéaire de la théorie aérodynamique de Piston nous a permet d'exprimer directement la pression exercée par le fluide comme une fonction des déplacements en tout point de la structure.  ABSTRACT: Analysis of thin shells subjected to supersonic airflow has been the subject of several researches. Most of these studies treat the linear analysis of open cylindrical shells (curved plates) with or without supersonic flow. Few works have been done for nonlinear analysis (geometric and/or fluid) of closed cylindrical shells subjected to supersonic flow. We propose here in this thesis to develop a model that is able to linear and nonlinear analysis of thin elastic anisotropic closed shells, and subjected to internal pressure and external supersonic airflow. Nonlinear dynamics and flutter instability of closed circular cylindrical shells are also analyzed. The model developed is a combination of finite element method, thin shell theory and aerodynamic fluid theory. Closed shells are mainly simply supported; other arbitrary boundary conditions are also treated. The first part of this work studies the nonlinear structural analysis (large amplitude of vibration) of empty closed cylindrical shells. The shell is divided into several closed cylindrical finite element and the functions of motion are derived from linear theory of thin cylindrical shells of Sanders. The modal coefficients are derived from the nonlinear theory of Sandres-Koiter for thin cylindrical shells in terms of linear displacement functions developed. The nonlinear stiffness matrices of second and third order are determined from the finite element method. The nonlinear equations are solved by fourth order Runge-Kutta numerical method. The linear and nonlinear frequencies are then determined as a function of the movement amplitude of the shell for several cases. The results obtained are in good agreement with those of other authors. In the second part of this thesis, we present a model for the flutter analysis of cylindrical shells, subjected to an external supersonic flow. The linear equation of aerodynamics Piston theory allows us to express directly the pressure exerted by the fluid as a function of the displacements at any point of the structure. The analytical integration of the pressure gives us matrices expressing the fluid-structure interaction in supersonic flow. Several figures presented in this section illustrate the theory and the dynamic behavior of cylindrical shells subjected to supersonic fluid flow. A good agreement was obtained with other theories and experiments .The third part of this research presents a model to predict the influence of nonlinearities associated with large amplitude of vibration of the shell walls and the supersonic fluid flow of thin cylindrical shells taking into account the internal pressure and axial compression.


identifier: St-Louis Lalonde, B. (2012). Perméabilisation de membranes cellulaires à l'aide d'un laser nanoseconde amplifié par nanoparticules plasmoniques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La membrane plasmique des cellules eucaryotes assure une perméabilité sélective entre le cytoplasme et le milieu extérieur. Elle régule l'entrée et la sortie des ions (O2, N2, K, etc..) et des molécules (eau, éthanol, etc..) nécessaires à son bon fonctionnement par des mécanismes de diffusion ou de transport actif. Dans des domaines tels que la biologie moléculaire ou le développement de nouveaux traitements, il est parfois souhaitable de contourner cette perméabilité sélective afin d'insérer à l'intérieur des cellules des molécules qui y sont normalement imperméables. Ces molécules peuvent être des plasmides d'ADN, des ARN, ou différents médicaments. Afin de surmonter cette barrière biologique, nous proposons l'optoporation à l'aide d'un laser amplifié par nanostructures plasmoniques. Cette technique non invasive permet d'augmenter la perméabilité membranaire d'un grand volume de cellules en peu de temps. L'optoporation à l'aide d'un laser amplifié par nanostructures plasmoniques correspond à une irradiation par laser pulsé sur des cellules préalablement incubées avec des nanoparticules d'or (AuNPs). L'interaction laser-AuNP crée une bulle de cavitation qui permet d'augmenter la perméabilité de la membrane cellulaire en perturbant l'organisation de ses éléments bilipidiques. Des molécules en suspension dans le milieu externe peuvent ensuite pénétrer à l'intérieur de la cellule par diffusion. Sous les conditions propices, l'intégrité de la membrane sera rapidement retrouvée et la cellule sera peu affectée. La faisabilité de cette technique de perméabilisation a été testée avec un laser à impulsions nanosecondes opérant à 532 nm et à 1064 nm. La membrane plasmique de fibroblastes cancéreux humains (mélanômes wm278) a été perforée avec succès tout en conservant une excellente viabilité cellulaire. Le fluorophore Lucifer Yellow (LY) a été incorporé à l'intérieur de 30% des cellules irradiées. La viabilité 2 h après la traitement a été évaluée par exclusion d'iodure de propidium (IP) tandis que la vitalité des cellules à long terme a été évaluée à l'aide de tests MTT. Sous les conditions optimales, à 532 nm, la viabilité est de 84% après 2h (exclusion IP) et la vitalité passe de 64% (2h) à 88% après 72 h (MTT). À 1064 nm, la viabilité atteint 85% et la vitalité se situe entre 81% et 99% entre 2 et 72 h. Les dimensions des AuNPs après irradiation ont également été examinées afin de déterminer si elles avaient subi des transformations durant le traitement. Pour ce faire, des mesures spectroscopiques ainsi que des images au MEB ont été réalisées. Une réduction de taille est observée après quelque secondes d'irradiation mais les quelques impulsions livrées lors du traitement ne sont pas suffisants pour transformer significativement les NPs.  ABSTRACT: The plasmic membrane of eukaryot cells provides a selective permeability between the cytoplasm and the external environment. It regulates the passage of ions (O2, N2, K, etc...) and molecules (H2O, C2H6O, etc...) by mechanisms like passive di↵usion and active transport. In various fields like molecular biology or drug development, it is sometimes needed to bypass this selective permeability to introduce external molecules that are normally impermeable to cell membrane. Examples of external molecules may be DNA plasmid, RNA segment or drugs. We propose a method based on laser amplification by plasmonic nanoparticles to overcome this biological barrier. This non invasive method increases the membrane permeability of a large number of cells in a short time. Optoporation by laser amplified with plasmonic nanoparticles consists of pulsed laser irradiation on cells that have been previously incubated with gold nanoparticles (AuNPs). The laser-AuNPs interactions will create a cavitation bubble which in turn will decrease the membrane permeability by disrupting the bilipid layer arrangement. Molecules in the external medium may then penetrate inside the cells and under the right experimental conditions, the cells will rapidly reseal their membrane and continue living without nefast e↵ects. The feasibility of high throughput optical perforation amplified by plasmonic nanoparticles have been tested with a nanosecond pulsed laser working at 532 nm and 1064 nm. The plasma membrane of cancerous human fibroblast (melanoma wm278) have been successfully perforated while keeping an excellent viability rate. Up to 30% of cells are perforated in which the Lucifer Yellow fluorophore have been incorporated. The viability 2 h after the treatment was evaluated by PI exclusion and the long term vitality was tested by MTT essay. Under optimal conditions at 532 nm, the 2 h viability is 84% and the vitality start at 64% for 2h and reaches 88% after 72 h. With 1064 nm pusles, the 2 h viability is situated at 85% and vitality goes from 81% at 2h to 99% 72 h after experiment. The AuNPs size were examined to determine if any transformation occurred upon irradiation. This was verified by spectroscopic measurements as well as SEM images. Gold nanoparticles undergo rapid transformation upon irradiation but the 5 pulses delivered during the treatment prove to be insufficient to damage the nanoparticles.


identifier: Azizian, R. (2012). Dynamic Modeling of Tube-Support Interaction in Heat Exchangers  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les forces induites par écoulement dans les échangeurs de chaleur peuvent provoquer des vibrations excessives et des interactions avec les supports. Avec le temps, ces interactions peuvent entraîner de l'usure par frottement et éventuellement mener au bris des tubes. La prédiction précise de l'interaction tube-support est importante pour quantifier l'usure par frottement. Ainsi, l'étude détaillée du frottement et des forces d'impact à l'origine de ces effets est nécessaire à l'établissement d'un modèle d'usure précis. Cette étude porte sur le développement d'un modèle de frottement qui permet de reproduire fidèlement les différents états du phénomène de frottement, incluant les effets d'élasticité, de plasticité et de frottement partiel. Le modèle d'impact tube-support résultant est vérifié numériquement et expérimentalement. Un modèle de frottement fonction du taux d'amortissement d'un ressort hybride a été développé pour simuler précisément un phénomène de frottement d'une vitesse nulle à une vitesse de glissement importante. Cela a été obtenu en considérant différents phénomènes pendant le phénomène de friction incluant l'effet Stribeck, les forces variables de rupture, l'élasticité des micro-protubérances de paroi ainsi que les comportements de glissement plastique et partiel. Le temps de glissement dans le modèle de friction à limitation de vitesse a été comparé à celui obtenu par le modèle de friction de Lugre. L'incapacité du modèle de frottement à limitation de vitesse à détecter la zone d'adhérence a été expliquée par la dépendance du critère de limitation de la vitesse sur la force variable de rupture et l'effet Stribeck. Ceci a confirmé l'importance d'avoir une limitation de vitesse adaptative pour le modèle de frottement à limitation de vitesse. De plus, la distribution des contraintes à l'intérieur de la zone de contact a été étudiée en détails pour délimiter les différentes régions dans une zone de contact lors du frottement. Cette analyse a permis d'associer une signification physique à chaque composante de ce nouveau modèle de frottement hybride. La capacité du modèle à reproduire précisément le comportement adhérence-glissement a été évaluée à l'aide du modèle de frottement d'Ozaki et Hashigushi ainsi qu'avec les tests expérimentaux de Baumberger et al. Les résultats montrent une meilleure estimation du comportement adhérence-glissement, qualitativement et quantitativement, en utilisant le nouveau modèle hybride.  ABSTRACT: Flow-induced forces in heat exchangers can cause excessive tube vibration and interaction with their supports. Long term interaction may develop fretting-wear and consequently lead to tube failures. An accurate prediction of the tube-support interaction behavior is important to quantify tube fretting-wear. Therefore, a detailed study of the related friction and impact forces is required for formulating a precise wear model. This study aimed to develop a friction model for accurate representations of various states of the friction process, including elastic, plastic and partial slipping states. In addition, the tube-support impact model is verified both numerically and experimentally. A hybrid spring-damper rate dependent friction model was developed to precisely simulate the friction process from zero velocity to the gross slip state. This was achieved by considering various physical phenomena during the friction process including the Stribeck effect, varying break-away force, bristle elastic, plastic and partial-slipping behaviors. The slipping time in the velocity-limited friction model was compared to the LuGre friction model. The inability of the velocity limited friction model to detect the sticking region was explained by the dependency of a limiting velocity criterion on the varying break-away force and the Stribeck effect. This confirmed the importance of having an adaptive limiting velocity for the velocity limited friction model. In addition, the stress distribution within the contact region was studied in detail to demarcate different regions within a contact area during the friction process. This analysis attributed a physical meaning to each component of the new hybrid friction model. The ability of the hybrid model to accurately reproduce stick-slip behavior was examined using the Ozaki and Hashiguchi friction model and the Baumberger et al. experimental tests. The result showed better estimation of the stick-slip behavior, both qualitatively and quantitatively, using the new hybrid friction model. In addition, the ability of the hybrid model, to reproduce pre-sliding displacements, was also examined using the Lim and Chen friction model and the experimental stability phase diagram, developed by Baumberger et al. The hybrid friction model reproduced the experimental phase diagram with qualitatively good agreement contrary to the Lim and Chen friction model.


identifier: Bejaoui, N. (2012). Simulation numérique de l'effet du réflecteur radial sur les cellules REP en utilisant les codes DRAGON et DONJON  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réacteurs nucléaires à eau pressurisée (REP) constituent la flotte la plus importante de réacteurs nucléaires en opération dans le monde. Même si ces réacteurs ont été étudiés de façon extensive par les concepteurs et les exploitants en utilisant des méthodes numériques de plus en plus performantes, il reste encore certaines analyses qui, vu la complexite géométrique du coeur, n'ont pu être réalisées incluant l'analyse du comportement de flux de neutrons des cellules de combustible localisés à l'interface coeur réflecteur. Le schéma de calcul standard est basé actuellement sur une approche en plusieurs étapes s'adressant à différents échelles (cellule, assemblage et coeur complet). Lors de la première étape de calcul, on résout l'équation de transport sur une géometrie restreinte à deux dimensions (assemblage ou motif d'assemblages en milieu infini) associée à des maillages fins en énergie et espace. Le  flux hétérogène en espace et en énergie ainsi calculé permet de produire des sections efficaces homogénéisées en espace et condensées en energie qui seront utilisées dans une seconde étape de calcul. Celle-ci permet de résoudre le probleme complet grâce à des maillages plus larges en énergie et en espace. Ce découplage de calcul en deux étapes est la source d'un biais méthodologique notamment à l'interface coeur/réflecteur : l'hypothèse de milieu infini employée pour le calcul de réseau est alors moins pertinente au voisinage du reflecteur représenté généralement par l'un de ces deux modèles: modèle de reflecteur équivalent basé sur le calcul des propriétés neutroniques d'un milieu homogène équivalent au réflecteur réel et modèle de matrice d'albedo permettant de calculer les coefficients de réflexion, ou albedo, à l'interface coeur/reflecteur. Le reflecteur permet de ralentir les neutrons fuyants à l'extérieur du réeacteur et de les renvoyer vers celui-ci. Cet effet conduit à deux pics de fission caractéristiques aux interfaces combustible/reflecteur, les taux de fission augmentant du fait de la plus grande proportion de neutrons réentrant. Ce changement de concentration neutronique se fait sentir surtout àa l'intérieur de l'assemblage situé en périphérie du coeur. Pour remédier à cet effet, nous avons, premièrement, simulé un assemblage périphérique en contact avec un réflecteur de type TMI-PWR et, deuxièmement, développe un schéma de calcul avancé permettant de prendre en compte l'environnement des assemblages périphériques et de générer des propriétes neutroniques du réflecteur équivalent. Ce schéma de calcul a été testé sur un coeur chargé de combustible neuf dépourvu de mécanisme de contrôle de réactivité. Les résultats ont démontré que la représentation des différentes couches de reflecteur et le calcul d'assemblage périphérique en milieu fini prennent en compte le déplacement du spectre énergétique à l'interface du coeur et entraînent une augmentation de la puissance au bord du  ABSTRACT: The pressurized water nuclear reactors (PWRs) is the largest fleet of nuclear reactors in operation around the world. Although these reactors have been studied extensively by designers and operators using efficient numerical methods, there are still some calculation weaknesses, given the geometric complexity of the core, still unresolved such as the analysis of the neutron flux's behavior at the core-reflector interface. The standard calculation scheme is a two steps process. In the first step, a detailed calculation at the assembly level with reflective boundary conditions, provides homogenized cross-sections for the assemblies, condensed to a reduced number of groups; this step is called the lattice calculation. The second step uses homogenized properties in each assemblies to calculate reactor properties at the core level. This step is called the full-core calculation or whole-core calculation. This decoupling of the two calculation steps is the origin of method- ological bias particularly at the interface core reflector: the periodicity hypothesis used to calculate cross section librairies becomes less pertinent for assemblies that are adjacent to the reflector generally represented by these two models: thus the introduction of equivalent reflector or albedo matrices. The reflector helps to slowdown neutrons leaving the reactor and returning them to the core. This effect leads to two fission peaks in fuel assemblies localised at the core/reflector interface, the fission rate increasing due to the greater proportion of reentrant neutrons. This change in the neutron spectrum arises deep inside the fuel located on the outskirts of the core. To remedy this we simulated a peripheral assembly reflected with TMI-PWR reflector and developed an advanced calculation scheme that takes into account the environment of the peripheral assemblies and generate equivalent neutronic properties for the reflector. This scheme is tested on a core without control mechanisms and charged with fresh fuel. The results of this study showed that explicit representation of reflector and calculation of peripheral assembly with our advanced scheme allow corrections to the energy spectrum at the core interface and increase the peripheral power by up to 12% compared with that of the reference scheme.


identifier: Marouane, H. (2012). Effet de la force de compression sur la réponse passive de l'articulation du genou: une étude numérique non-linéaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le genou humain suscite depuis de nombreuses années l'intérêt, au sens biomécanique, des chercheurs. Cette structure est l'une des articulations biologiques les plus complexes du corps humain, à la fois mobile, flexible, solide et résistante. Elle présente, en effet, le paradoxe de devoir assurer des fonctions antagonistes comme celle de transmettre des charges très importantes et celle d'assurer la mobilité de la jambe par rapport à la cuisse. Elle est aussi susceptible d'être soumise à diverses blessures en raison de son emplacement exposé, de ses grands déplacements relatifs et en raison des charges importantes qu'elle supporte, à savoir le poids du corps humain et les charges associées aux mouvements. Dans certaines activités physiques, la force de compression sur le joint du genou peut atteindre 7 fois le poids du corps humain. Ces charges sont plus importantes durant la pratique de certains sports de performance comme le football ou le hockey, ce qui fait du genou l'articulation la plus exposée aux traumatismes, luxations, entorses et processus dégénératifs du cartilage. Kurtz et al., (2007) ont prévu qu'entre 2005 et 2030, les demandes sur les prothèses totales des genoux aux États-Unis devraient augmenter à 3.48 millions. En outre, chaque année aux États- Unis, plus de 10.8 millions de personnes consultent les chirurgiens orthopédiques pour des problèmes au genou (American Academy of Orthopaedic Surgeons [AAOS]). Une bonne compréhension de la biomécanique de l'articulation du genou est donc nécessaire pour améliorer à la fois la prévention et le traitement de ces blessures. Pour ce faire, plusieurs modèles analytiques et d'éléments finis (EF) avec différents degrés de précision et de raffinement ont été élaborés. Ils se sont présentés comme une alternative fiable aux méthodes expérimentales qui ont des limitations majeures, principalement liées à leurs coûts élevés, les difficultés liées aux précisions des mesures (contrainte et déplacement) et à la reproduction parfois impossible de certaines situations naturelles. En outre, les modèles EF se sont révélés être en mesure de fournir un éclaircissement précieux sur la biomécanique articulaire, les effets des différents paramètres impliqués et les propriétés mécaniques des tissus biologiques, tout en réduisant le coût et le temps. Un grand nombre d'études ont tenté d'estimer les forces et les moments dans l'articulation du genou lors de diverses activités.  ABSTRACT: The human knee has attracted for many years the interest of researchers. This structure is one of the most complex articulations of the human body, being at the same time mobile, flexible, rigid and durable. It presents, in fact, the paradox of having to perform apparently opposing functions such as carrying large loads while ensuring the mobility of the lower extremity. It is highly susceptible to injury due to its exposed location, its large relative displacements and loads that it supports. In some physical activities, the compression force on the knee joint can reach 7 times the body weight. These loads are higher during certain sports like football or hockey, which make the knee joint as the articulation most exposed to traumatisms, dislocations, sprains and degenerative processes. Kurtz et al (2007) in their predictions suggested that between 2005 and 2030, the annual demand on total knee prostheses in United States is expected to increase to 3.48 million. In addition, every year in the United States, more than 10.8 million people visit orthopedic surgeons for knee problems (American Academy of Orthopaedic Surgeons [AAOS]). A good understanding of the biomechanics of the knee joint is therefore necessary to improve the prevention and treatment procedures of these injuries. In response, several analytical and finite element (FE) models with different degrees of precision and refinement have been developed. They are considered as a reliable alternative to experimental methods that face have major limitations, mainly related to their high costs, difficulties related to measurement accuracy (stress and displacement) and reproduction of some physiological situations. FE models have proven useful in providing valuable information on joint biomechanics, the effects of various parameters involved and the mechanical properties of biological tissues. A large number of studies have attempted to estimate the loads and moments in the knee joint during various activities. Several approaches have been used to relate the knee kinematics and external loads to joint contact loads, the most popular being the inverse dynamics combined with either the static optimization or EMG-driven methods. However, these approaches do not take into account the passive contribution in the knee joint which could over-estimate the computed muscle forces and hence joint internal loads. This passive contribution is also expected to alter as a function of the joint compression force. To our knowledge, there is no work to predict the passive moments in the knee joint in the presence of compressive loads.


identifier: Raymond, V. (2012). Metal Injection Molding Development: Modeling and Numerical Simulation of Injection with Experimental Validation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le moulage par injection de métal en poudre (MIM) est un nouveau procédé de fabrication prometteur dans le domaine de l'aéronautique. Le MIM permet de réduire les coûts de fabrication en éliminant la majorité des opérations d'usinage tout en conférant aux matériaux de bonnes propriétés mécaniques. Pratt & Whitney Canada (P&WC) développe ce procédé afin de fabriquer des pièces MIM pour les moteurs à turbine. Ce procédé comporte plusieurs étapes. Une de celles‐ci consiste à créer une géométrie par l'injection d'un mélange de poudres métalliques et d'un liant dans un moule. Une bonne maîtrise de cette étape est cruciale afin de produire des pièces sans défaut. Afin de diminuer le nombre de rejets et mieux comprendre l'injection, l'utilisation d'un outil de simulation numérique est idéale. Le but de ce projet est donc d'identifier un outil de simulation numérique qui pourra simuler précisément l'étape d'injection du procédé MIM de P&WC. Les propriétés du mélange nécessaires pour la simulation ont été mesurées expérimentalement. Ensuite, plusieurs séries d'injection à l'aide d'un moule instrumenté et d'une caméra haute vitesse ont permis d'obtenir les données expérimentales nécessaires pour la validation de la simulation. Finalement, à l'aide de Plasview3D, des simulations ont été exécutées avec les propriétés expérimentales du mélange. Les résultats obtenus sous‐estiment grandement le temps de remplissage, mais les profils de pression calculés sont similaires à ceux acquis avec le moule instrumenté. Grâce à une analyse de sensibilité, le modèle de viscosité a été identifié comme une des causes potentielles pour expliquer les écarts observés. En modifiant le niveau de viscosité du modèle par un facteur de 2.5 pour toutes les vitesses de cisaillement, les résultats de la simulation corrèlent bien les résultats expérimentaux obtenus avec deux moules différents. La condition d'entrée a aussi été étudiée et une solution a été proposée afin d'obtenir des résultats plus fidèles. En conclusion, l'utilisation de Plasview3D a démontré que la simulation de l'injection est possible pour le procédé MIM de P&WC. Cependant, davantage de travaux de caractérisation du mélange, surtout au niveau rhéologique, seront requis afin d'obtenir des résultats précis de simulation.  ABSTRACT: Metal injection molding (MIM) is a new promising fabrication process in the aeronautical field. The MIM process can reduce part cost due to the lower number of secondary operations and can produce parts with high mechanical properties. Pratt &Whitney Canada is currently developing this process for manufacturing aircraft engine parts. The process is divided in multiple steps. During one of these steps, the geometry is created by injecting feedstock into a mold cavity. The feedstock is made from a mixture of metal powders and a polymeric binder. This step is critical for the final part quality; it must be well controlled. Numerical simulation of the injection would be a beneficial tool in order to have a better understanding of this critical step. The goal of this work is to find and validate a numerical tool capable of simulating the injection step of P&WC's MIM process. Properties of the feedstock were measured experimentally. Experimental data needed for the validation was acquired during several injection cycles with an instrumented mold and a high speed camera. The numerical simulation were calculated with Plasview3D using the experimental feedstock properties. Results showed that the numerical simulation underestimates the filling time. However, the calculated pressure profiles are similar to the ones acquired with the instrumented mold. A sensitivity study identified the viscosity level as a potential explanation for the observed discrepancies. It was found that the numerical simulation correlation for two different molds is improved by increasing the viscosity level by a factor of 2.5 for the complete shear rate range of the model. The inlet boundary condition was also studied and a solution was suggested to increase result accuracy. In conclusion, P&WC's MIM process can be simulated numerically with Plasview3D. However, additional feedstock characterisation work (especially for the viscosity) is needed in order to have precise numerical results.


identifier: Erler, E. (2012). Axial Compressor Blade Design for Desensitization of Aerodynamic Performance and Stability to Tip Clearance  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'écoulement de jeu d'aube est l'écoulement qui passe à travers le jeu entre le bout de l'aube du rotor et le carter d'une turbomachine, tels qu'un compresseurs ou une turbine. Cet écoulement est entraîné par la diérence de pression à travers l'aube (charge aérodynamique) dans la région du bout de l'aube et constitue une source majeure de perte de performance et de stabilité aérodynamique des compresseurs axiaux de moteurs d'avions modernes. Une augmentation du jeu d'aube peut survenir de façon temporaire en raison de la dilatation diérentielle radiale entre l'aube et le carter en opération transitoire ou permanente en raison de l'usure du moteur ou à cause des tolérances de fabrication sur de petites aubes. Cette augmentation augmente l'écoulement de jeu d'aube et se traduit par une plus grande consommation de carburant et un risque plus élevé de calage du moteur. Une conception du compresseur qui permet de réduire la sensibilité de la performance et stabilité aérodynamique de ce dernier à l'augmentation du jeu d'aube aurait un impact majeur à court et à long terme sur la performance et l'enveloppe d'opération du moteur. Alors que de nombreuses recherches ont été menées sur l'amélioration de la performance nominale du compresseur, peu a été fait sur la désensibilisation à l'accroissement du jeu d'aube au-delà des observations isolées que certains designs d'aubes, comme l'inclinaison amont en corde, semblent être moins sensibles à l'augmentation du jeu d'aube. Ce projet vise à identifier à travers une étude numérique les caractéristiques de l'écoulement et les mécanismes associés qui réduisent la sensibilité des rotors de compresseurs axiaux au jeu d'aube et à proposer des stratégies de conception de lames qui exploitent ces résultats. La méthodologie commence par la conception d'un rotor de compresseur axial conventionnel de référence suivie d'une étude paramétrique avec des variations de ce design par la modification de la ligne de cambrure et de la ligne d'empilage des profils de pale long de l'envergure. Il est à noter que la méthode de désensibilisation la plus simple serait de réduire la charge aérodynamique dans la région du bout de l'aube, ce qui réduirait l'écoulement de jeu d'aube et la proportion de sa contribution à la perte de performance. Cependant, avec la plus grande partie du travail sur l'écoulement qui se fait dans cette région, cette approche entraînerait une pénalité de la performance nominale. Par conséquent, la philosophie choisie de conception du rotor vise à maintenir le chargement aérodynamique constant le long de l'envergure de l'aube pour éviter de sacrifier performance au profit de la désensibilisation. Les designs résultant de cet exercice sont simulées dans ANSYS CFX à diérentes tailles de jeu d'aube. La variation de leur performance par rapport à la taille du jeu (sensibilité) est comparée au niveau intégral en termes de rapport de pression et de rendement adiabatique, ainsi qu'au niveau détaillé en termes de pertes aérodynamiques et de blocage liés à l'écoulement de jeu d'aube.  ABSTRACT: Tip clearance flow is the flow through the clearance between the rotor blade tip and the shroud of a turbomachine, such as compressors and turbines. This flow is driven by the pressure dierence across the blade (aerodynamic loading) in the tip region and is a major source of loss in performance and aerodynamic stability in axial compressors of modern aircraft engines. An increase in tip clearance, either temporary due to dierential radial expansion between the blade and the shroud during transient operation or permanent due to engine wear or manufacturing tolerances on small blades, increases tip clearance flow and results in higher fuel consumption and higher risk of engine surge. A compressor design that can reduce the sensitivity of its performance and aerodynamic stability to tip clearance increase would have a major impact on short and long-term engine performance and operating envelope. While much research has been carried out on improving nominal compressor performance, little had been done on desensitization to tip clearance increase beyond isolated observations that certain blade designs such as forward chordwise sweep, seem to be less sensitive to tip clearance size increase. The current project aims to identify through a computational study the flow features and associated mechanisms that reduces sensitivity of axial compressor rotors to tip clearance size and propose blade design strategies that can exploit these results. The methodology starts with the design of a reference conventional axial compressor rotor followed by a parametric study with variations of this reference design through modification of the camber line and of the stacking line of blade profiles along the span. It is noted that a simple desensitization method would be to reduce the aerodynamic loading of the blade tip which would reduce the tip clearance flow and its proportional contribution to performance loss. However, with the larger part of the work on the flow done in this region, this approach would entail a nominal performance penalty. Therefore, the chosen rotor design philosophy aims to keep the spanwise loading constant to avoid trading performance for desensitization. The rotor designs that resulted from this exercise are simulated in ANSYS CFX at dierent tip clearance sizes. The change in their performance with respect to tip clearance size (sensitivity) is compared both on an integral level in terms of pressure ratio and adiabatic eciency, as well as on a detailed level in terms of aerodynamic losses and blockage associated with tip clearance flow. The sensitivity of aerodynamic stability is evaluated either directly through the simulations of the rotor characteristics up to the stall point (expensive in time and resources) for a few designs or indirectly through the position of the interface between the incoming and tip clearance flow with respect to the rotor leading edge plane. The latter approach is based on a generally observed stall criteria in modern axial compressors. The rotor designs are then assessed according to their sensitivity in comparison to that of the reference rotor design to detect features that can explain the trend in sensitivity to tip clearance size.


identifier: Akçayöz, E. (2012). Performance Increase and Noise Reduction in Axial Compressor Cascades with Plasma Actuation  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le compresseur axial est la composante qui contribue le plus à la longueur et au poids d'un moteur d'avion moderne, principalement dû à la limite dans le taux de pression maximal atteignable par étage, menant à un nombre d'étages élevé. Cette limite est imposée par le décollement de la couche limite sur l'extrados de l'aube et à l'intersection de cette surface avec le moyeu, ce dernier des deux phénomènes dorénavant appelé décrochage de coin. Ces phénomènes empêchent l'augmentation de la cambrure des aubes pour donner un plus grand taux de pression par étage. De plus, une proportion signifiante du bruit généré par les turbosouantes modernes à haut taux de dilution provient de l'interaction entre les sillages des aubes du rotor de la souante avec son stator en aval. Des méthodes pratiques de contrôle de l'écoulement qui pourraient réduire le décollement de la couche limite sur l'extrados de l'aube, le décrochage de coin et le sillage des aubes mèneraient à des moteurs d'avion qui seraient plus courts, plus légers et plus silencieux. L'arrivée relativement récente des actionneurs plasma de type DBD (Dielectric Barrier Discharge) pourrait fournir une solution pratique. Ces actionneurs consistent essentiellement en deux électrodes décalés axialement et séparées par un isolant électrique. En fournissant un voltage alternatif à fréquence radio avec une amplitude de plusieurs kilovolts entre les deux électrodes, l'air au dessus de l'actionneur est accéléré via son ionisation partielle. Ces dispositifs purement électriques, simples, sans pièces mobiles, à basse puissance qui peuvent être encastrés dans une surface sont idéaux pour des applications an aérodynamique. L'objectif principal de la présente recherche est d'évaluer trois concepts de contrôle de l'écoulement avec l'actionneur plasma: le premier pour contrôler le décrochage de coin, le deuxième pour supprimer le décollement de la couche limite sur l'extrados et le dernier pour réduire le sillage des aubes. L'approche choisie repose sur des simulations numériques de l'écoulement (CFD) et une validation expérimentale dans une cascade linéaire d'aubes à haute cambrure de compresseur à basse vitesse sur lequel un nouveau système de succion d'air au moyeu a été conçu dans le cadre de cette recherche pour réduire significativement le décrochage de coin et permettre un écoulement presque 2-D à la mi-envergure de l'aube. Un modèle d'actionneur plasma a été intégré dans un code CFD commercial. Pour chacun des trois concepts, des simulations CFD sont faites pour une évaluation détaillée de leur ecacité dans le contexte de la cascade d'aubes et pour déterminer la meilleure position de l'actionneur plasma. Par la suite, pour les deux premiers concepts, des tests sont initiés dans la cascade d'aube pour démonter le concept expérimentalement et pour valider l'outil de simulation via une comparaison avec des simulations correspondantes. L'outil CFD ainsi validé est ensuite utilisé pour des simulations à hautes vitesses avec des forces d'actionnement au-delà des valeurs présentement atteignables pour obtenir une règle préliminaire de la variation de la force d'actionnement avec le nombre de Reynolds afin de pouvoir prédire l'ordre de grandeur des requis d'actionnement pour opérer à des conditions réelles.  ABSTRACT: The axial compressor is the component that contributes the most to the length and weight of modern aircraft engines, mainly due to the limited achievable pressure rise per stage leading to high stage count. This limit is set by blade boundary layer and corner separation considerations which inhibit higher flow turning designs that could deliver higher pressure rise per stage. In addition, a significant portion of the overall noise generated by modern high bypass ratio turbofan engines is associated with the fan due to the rotor blade wakes and their interaction with the downstream stator. Practical flow control methods that can reduce boundary layer and corner separation and blade wakes momentum deficiency would allow for shorter, lighter and quieter aircraft engines. The recent advent of dielectric barrier discharge (DBD) plasma actuators could provide a practical solution. DBD actuators are essentially axially oset electrodes separated by a layer of dielectric across which a radio-frequency AC signal of a few kilovolts is applied leading to partial air ionization and flow acceleration. These purely electrical solid-state devices are simple, low-power and can be flush mounted, making them ideal for aerodynamic flow control applications. The main objective of this research is to assess three flow control concepts using plasma actuators: the first for controlling corner separation, the second for suppressing blade boundary layer separation and the last for blade wake reduction. The chosen approach is based on CFD simulations and experimental validation on a low-speed linear high flow turning compressor blade cascade for which a new endwall suction technique has been designed within this research to reduce corner separation and provide near 2-D operation for the blade at mid-span. A plasma actuation model is implemented in a commercial flow solver. For each concept, simulations are carried out for a detailed assessment of the eectiveness of the actuation in the context of the compressor cascade test rig and to recommend the best actuator location. Subsequently, for the first two concepts, experiments are carried out in the cascade rig to experimentally demonstrate the concept and validate the CFD tool. Finally, the validated CFD tool is used for simulations at higher flow speeds and at actuator strengths much higher than presently achievable to obtain a preliminary scaling law that would allow a rough estimation of the actuation requirements at realistic operating conditions. For corner separation, the CFD simulations capture reasonably well the experimentally measured flow features and trends associated with corner separation and the eect of both endwall suction and plasma actuation on this phenomenon. Simulations with this CFD setup show that a combination of plasma actuators on the suction surface and endwall located close to the separation point can reduce losses associated with corner separation. With high but near-term reachable actuator strength, the performance of this concept can rival the performance at the low-speed cascade conditions of the endwall suction scheme, which itself is more eective in reducing endwall corner separation than equivalent low suction mass flow schemes in the research literature.


identifier: Boughanmi, F. (2012). Source Code and License Statement Co-Evolution  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les logiciels libres reposent largement sur la éutilisation de composants logiciels disponibles sous une variété de licences (e.g., Apache, BSD, GPL, ou LGPL). Différentes licences imposent des limitations et des conditions différentes sur la réutilisation d'un programme et sa redistribution ce qui rend difficile la compréhension des contraintes juridiques imposées au système final. La licence d'un fichier est spécifié par une déclaration de licence. Les déclarations de licence sont des extraits de texte insérées en haut du code source ou de tout autre fichier qui spécifie la licence sous laquelle le fichier peut être réutilisé, ainsi que les contributeurs qui possèdent des droits d'auteur sur le fichier. Les déclarations de licence ne sont pas un concept statique car les projets peuvent mettre à jour leur licences (version ou type) ou ajouter des contributeurs. Comme ces changements peuvent avoir un impact majeur sur un système en terme de sa distribution et son utilisation, (1) il est important de comprendre quand ils se produisent au cours du développement relativement à l'évolution du système (le changement des licences peut être pendant d'importantes modifications ou indépendamment de l'évolution des modifications du système), (2) combien de fois ils se produisent (rare vs. récurants), et (3) qui les effectue (experts vs. développeurs réguliers). D'abord, nous proposons, un métamodèle pour effectuer des analyses qui permettent la détection des problèmes de licence et ce meta-modèle présente aussi une source d'information structurée qui peut être utilisé dans les études reliées aux licences. Ensuite, nous présentons une étude sur la co-évolution des déclarations de licence et le code source dans sept systèmes OSS : JFreeChart, Jitsi, PHP, Rhino, Tomcat, XalanJ et XercesJ. Notre étude montre que ce n'est que dans quelques cas, dans PHP, que les évolutions des déclarations de licences et celle du logiciel sont soigneusement planifiées et gérées ensemble juste avant les versions majeures. Dans tous les systèmes, les développeurs qui effectuent plus de changement de code source, sont aussi les plus actifs mainteneurs de licence. Notre travail permet de comprendre quand les déclarations de licence sont changées et permet d'identifier les développeurs qui effectuent ces changements. De ce point de vue, notre travail est un travail préliminaire afin de mieux contrôler l'impact de ces changements sur le système, i.e., éviter l'introduction des inconsistences en proposant une méthodologie pour la gestion des changements de licences des règles de vérification des termes de license en se basant sur notre metamodèle.  ABSTRACT: Open-source software (OSS) systems heavily rely on the reuse of software components made available under a variety of software licenses (e.g., Apache, BSD, GPL, or LGPL). Different licenses impose different limitations and conditions on program reuse and redistribution, thus making it difficult to understand the legal constraints for the final system. The file license is specified using a license statement. License statements are snippets of text near the top of a source code or other file that specify the software license under which the file can be used as well as which contributors own copyrights over the file. Such license statements are not static because, projects might update the licenses (version or type) or add contributors. Such changes can have a major impact on a software system, so it is important to understand when they happen during development (with major source code changes vs. independently), how often they happen (rare vs. recurring), and who performs them (experts vs. regular developers). In this thesis, we first propose a meta-model based on previous work and on information gathered from license statements and text. We use the meta-model to find which data must be analysed to study license evolution. Then, we perform a study on the co-evolution of license statements and source code in seven OSS systems: JFreeChart, Jitsi, PHP, Rhino, Tomcat, XalanJ, and XercesJ. Only in a few cases in PHP, license statement and software evolution are carefully planned and managed together just before major releases. In all systems, the developers performing most of the commits, are also the most active license maintainers. Thus, we are able to understand when license statements are changed and we identified the developers that perform these changes. We consider our finding to be preliminary work to permit better control the impact of license change on the system (avoiding the risk of introducing inconsistencies) verifying license changes, using rules based on our meta-model. Indeed, we show that our meta-model could help analyse to detect license issues in studies related to licenses.


identifier: Ebacher, G. (2012). Évaluation du risque pour la santé publique associé à l'intrusion en réseau de distribution suite à une baisse de pression transitoire  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La qualité de l'eau potable délivrée aux citoyens dépend bien sûr de tous les efforts investis au niveau du traitement de l'eau brute, mais aussi de l'intégrité du réseau de distribution. Bien que la municipalité à l'étude respecte tous les règlements en matière de qualité de l'eau potable, une fréquence de 20 à 30% supérieure de maladies gastrointestinales a été observée chez les citoyens consommant de l'eau du robinet, ayant séjourné dans le réseau de distribution, par rapport à ceux buvant de l'eau embouteillée à la sortie de l'usine de traitement alimentant ce même réseau (Payment et al. 1997). Selon certains auteurs (Kirmeyer et al. 2001b, National Research Council of the National Academies 2006), les réparations de conduites et les épisodes de contamination transitoire constituent des voies d'entrée d'eau extérieure dans le réseau à risque élevé. Une détérioration du signal électrique à l'usine de production d'eau potable ou à un poste de surpression peut provoquer un arrêt momentané des pompes en fonction, générant une onde de basses pressions, qui se propage dans le réseau et peut causer des pressions transitoires négatives dans les régions plus élevées. De l'eau non traitée, provenant de la nappe phréatique peu profonde ou d'un égout/aqueduc fuyant, peut alors pénétrer le réseau par l'intermédiaire des fissures, des joints desserrés, et autres lieux de fuite. Lorsque la pression devient négative, les ventouses s'actionnent en aspirant de l'air extérieur dans les conduites d'eau potable. Si ces ventouses sont submergées par de l'eau de ruissellement et/ou de l'eau souterraine inondant plusieurs chambres, c'est cette eau non traitée qui sera aspirée dans le réseau d'eau potable. Puisque des indicateurs de contamination fécale et des virus entériques ont été détectés dans le sol, l'eau de tranchées et des chambres de vannes inondées (Karim et al. 2003, Besner et al. 2010), l'intrusion dans le réseau de l'eau se trouvant dans les environs d'une conduite ou dans une chambre de vanne à air présente un risque de contamination.  ABSTRACT: Drinking water quality at the tap depends obviously upon the efforts committed at the treatment stage, but also upon the physical and hydraulic integrity of the distribution system. Although all drinking water standards were met by the studied distribution system, a 20 to 30% excess risk of gastrointestinal illnesses was associated with the consumption of tap water which travelled and aged in the distribution system, as compared with the consumption of drinking water bottled at the outlet of the treatment plant (Payment et al. 1997). Main repairs and transient contamination events are considered high-risk pathways for external water to enter the system (Kirmeyer et al. 2001b, National Research Council of the National Academies 2006). The deterioration of the electric signal at the water treatment plant or at the booster station can result in a pump trip, which will result in a low pressure wave. This downsurge wave will travel in the distribution system and may cause negative pressures in elevated areas. Under low or negative pressure conditions, untreated water originating from the shallow water table or a leaking sewer/water main can enter the distribution system pipes through cracks, loose fittings, corrosion holes, and other leakage orifices. When the pressure becomes negative, air vacuum valves are activated: they begin aspirating external air into water mains. If the outlet orifice of air vacuum valves is submerged by urban runoff water and/or groundwater flooding their valve vault, this untreated external water will be drawn into the drinking water distribution system. As indicators of fecal contamination have been detected in water main trenches and in flooded vaults (Karim et al. 2003, Besner et al. 2010), intrusion of such external water exposes the distribution system to a contamination risk.


identifier: Valenti, M. (2012). Study of the Hemocompatibility of Non-Woven Sub-Microfibrous Structures of Polyethylene Terephthalate (PET): Effect of Sub-Microfibres Diameter and Alignment  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les maladies vasculaires, particulièrement celles associées aux vaisseaux sanguins de petit diamètre, sont la première cause de décès aux États-Unis. Les coûts liés aux maladies cardiovasculaires ont augmenté constamment avec le temps. Dans les dernières années, de nombreuses recherches en bio-ingénierie ont été réalisé afin d'obtenir une prothèse vasculaire pour les vaisseaux de petit diamètre, mais il n'y a pas encore de greffon qui a été développé et qui répond totalement aux exigences. Pour le remplacement des vaisseaux de gros diamètre, des prothèses en polyéthylène téréphtalate (PET) tissé ont été utilisées avec succès, mais elles n'ont pas pu être utilisées pour les vaisseaux de petit calibre à cause du taux d'échec élevé causé par les phénomènes thrombogéniques et l'hyperplasie myo-intimale. Les recherches effectuées précédemment ont démontré que les structures nanofibreuses et microfibreuses en PET non-tissé produites par le procédé d'électrofilage ont des propriétés mécaniques appropriées pour leur application comme prothèse vasculaire et sont une matrice apte à la croissance des cellules endothéliales. Dans ce mémoire, l'électrofilage sera utilisée pour la production de structures non-tissées composées de sub-microfibres de divers diamètres et de divers alignements. La thrombogénicité de ces structures sera testée pour sélectionner laquelle est la moins thrombogéniques pour les développements futurs. Les structures électrofilées en PET non-tissé avec différents diamètres ont été préparées en modifiant les paramètres d'électrofilage, principalement la concentration du polymère dans la solution à électrofiler et le débit d'écoulement de la solution pendant le procédé. Le diamètre moyen des fibres augmente avec la concentration du polymère et le débit d'écoulement. Les structures sélectionnées pour les tests de thrombogénicité ont un diamètre moyen de 259 ± 76nm, 388 ± 98nm and 1148 ± 446nm. L'orientation des fibres a été obtenue en changeant la vitesse de rotation du collecteur et par conséquent, la vitesse linéaire du tambour entre deux valeurs : 22,9 m/min et 114,7 m/min. L'orientation a été estimée par l'analyse visuelle et l'analyse avec un logiciel des images du microscope électronique à balayage en divers endroits des structures et prises avec divers vi grossissements. Avec l'analyse visuelle aucune orientation prédominante n'a été remarquée, mais l'analyse avec le logiciel a remarqué un différent degré d'alignement des fibres. La thrombogénicité des structures électrofilées a été testée en analysant et mesurant l'adhésion des plaquettes humaines dans un système de perfusion qui simulait les conditions dynamiques des fluides dans les vaisseaux de petit diamètre. L'effet de l'orientation des fibres sur la thrombogénicité a été évalué en analysant visuellement avec un microscope confocal la forme et la distribution des plaquettes précédemment marquées en fluorescence. Les structures avec une orientation présumée des fibres ont donné des résultats de thrombogénicité majeure par rapport aux structures sans aucune orientation de fibres. Pour cette raison, les structures électrofilées avec des fibres orientées ont été exclues pour les tests suivants de thrombogénicité. La thrombogénicité des structures électrofilées avec divers diamètre de fibres a été comparée en utilisant une méthode quantitative pour le calcul des plaquettes adhérées basée sur leur marquage radioactif. La relation entre le diamètre des fibres et l'adhésion plaquettaire est linéaire : la diminution du diamètre des fibres entraîne la diminution de plaquettes déposées. En outre, le dépôt des plaquettes sur la structure composée de sub-microfibres de diamètre moyen de 259 nm est comparable au dépôt des plaquettes sur l'endothélium intact d'une artère.  ABSTRACT: Small diameter blood vessels diseases are the leading cause of death in the United States and the costs related are constantly growing. In the last years, bioengineering was applied to create a synthetic small diameter vascular graft; but a fully successful one has not been developed yet. Polyethylene terephthalate (PET) woven grafts have been used for large diameter vascular grafts, but as small calibre grafts have demonstrated low patency due to the occlusion caused by thrombogenic phenomena and myointimal hyperplasia. Previous studies report that PET nano and microfibrous non-woven structures have suitable mechanical properties for vascular graft application and are a suitable scaffold for endothelial cells growth. In this dissertation, electrospinning will be used in order to produce non-woven structures composed of sub-microfibers with various diameters and various fibre alignments. Their thrombogenic behaviour will be tested in order to determine the best non-woven structure for future developments. Electrospun non-woven polyethylene terephthalate structures with different fibre diameters were prepared by changing the process parameters, chiefly the polymer concentration in the electrospinning solution and the feed rate. The average fibre diameter increased increasing the polymer concentration in the solution and increasing the feed rate. The structures selected for thrombogenicity tests were composed of fibres with a diameter of 259 ± 76nm, 388 ± 98nm and 1148 ± 446nm. The orientation of the fibres was obtained by changing the rotational collector speed and consequently the linear drum velocity between two values: 22.9 m/min and 114.7 m/min. The orientation was estimated by visual analysis and image analysis of the scanning electron microscope images taken at different magnifications and at different place of the electrospun structure. With the visual analysis no prevalent orientation was remarked, but with the image analysis a different alignment degree was noticed. The thrombogenicity of the electrospun structures was tested by measuring the adhesion of human platelets in a perfusion system that simulated small calibre fluid dynamics conditions. viii The effect of the fibre orientation on the thrombogenicity was assessed visually with a confocal microscope, analyzing platelet shape and distribution after a fluorescent labelling. The structures with supposed oriented fibres resulted in a higher thrombogenicity than the not-aligned structures. For that reason, the oriented fibre electrospun non-woven structures were excluded from following thrombogenic tests. The thrombogenicity of the electrospun structures with different fibre diameter was compared using a quantitative method for the calculation of the adherent platelet based on their radioactive labelling. The relation between the fibre diameter and the platelet adhesion resulted linear: to a diminution of the fibre diameter corresponds a diminution of the platelet deposition. Furthermore, platelet adhesion on the structure composed of sub-microfibers with an average diameter of 259 nm was comparable to the platelet adhesion on the intact endothelium of an artery.


identifier: Daynou, M. (2012). Contributions à la modélisation hydrodynamique des écoulements transitoires dans les réseaux de drainage urbain : théories et études de cas  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: e réseau d'égout est la principale infrastructure de drainage utilisée dans les villes canadiennes. Son dimensionnement suppose un régime pseudo permanent et un écoulement à surface libre. Or, les crues exceptionnelles sont généralement caractérisées par un écoulement diphasique complexe qui s'effectue tantôt à surface libre, tantôt en charge, engendrant des phénomènes particuliers tels que les coups de bélier ou l'emprisonnement d'air qui peuvent créer des défaillances hydrauliques (inondations, bris de conduites, coups de bélier, ...). Les modèles de simulation généralement utilisés pour la conception ou la réhabilitation des réseaux de drainage urbains sont pour la plupart basés sur l'approche des fentes de Preissmann et ne représentent pas la complexité hydraulique des systèmes de drainage. Aussi, pour tester le meilleur fonctionnement d'un réseau d'assainissement urbain (RAU) existant, un modèle hydrostatistique est développé. Ce modèle permet d'évaluer la performance hydraulique du RAU en estimant son risque hydrologique de débordement. L'application de ce modèle à une étude de cas atteste que ce risque est considérable et confirme la nécessité d'une prise en compte des écoulements transitoires dans la conception et/ou la réhabilitation des RAU. Cette thèse s'attache ensuite à développer un modèle numérique dynamique, capable de simuler les écoulements transitoires à fronts multiples dans un réseau de drainage, sans nécessairement recourir aux simplifications susceptibles de dénaturer la vraisemblance du phénomène. Pour cela, l'initiation de l'écoulement transitoire (coexistence des régimes gravitaire et pressurisés dans l'écoulement) est étudiée expérimentalement et numériquement. Le développement d'une méthode rigoureuse de calcul des conditions aux limites permet de garantir la stabilité et la continuité de la solution mathématique proposée d'une conduite à l'autre. Un algorithme de calcul robuste permet d'adapter la procédure de calcul à la condition d'écoulement qui prédomine dans la conduite. Le modèle ainsi développé est capable de simuler automatiquement la formation de l'écoulement transitoire à un ou deux fronts dans une conduite du réseau de drainage, mais aussi la formation de plusieurs fronts de transition disséminés dans le réseau de drainage.  ABSTRACT: Storm water system (SWS) is the main drainage infrastructure used in Canadian cities. Its design assumes steady state and free surface flow. However, during flooding events, storm sewers usually face a complex two-phase mixed flow, resulting in specific phenomena such as water hammer or trapped air that can lead to hydraulic failures (floods, breaks, geyser, …). Simulation models generally used for the design and rehabilitation of urban storm sewers are mostly based on the Preissmann slots approach and do not represent the hydraulic complexity of storm water system. A two-module (hydrological and statistical) method is developed to test the hydraulic performance of a SWS by determining its overflow risk. The application of the proposed method to a case study of the Nuns' Island, off the southeast shore of Montreal, has shown the necessity of taking into account transient flows in the conception of SWS. The studied SWS presents a real flooding risk, depending on the selected time period and confirms the need for including mixed flows in the design and/or the rehabilitation of storm water systems. This thesis strives to develop a dynamic numerical model, for the multiple fronts mixed flows SWS simulation, without necessarily resorting to the simplifications that may distort the likelihood of the phenomenon. To do this, the initiation of the mixed flow (coexistence of gravity and pressurized regimes in the flow) is studied experimentally and numerically. A dynamic boundary conditions calculation method is also developed to ensure the stability and continuity of the proposed mathematical solution from one channel to the other. A robust algorithm allows for adapting the calculation procedure to the flow condition that predominates in the channel. Therefore, the developed model is able to automatically simulate the formation of a one or two fronts mixed flow in a SWS channel.


identifier: Gaha, M. (2012). Système d'aide à la décision pour le réseau de distribution  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nos jours, de nouvelles technologies issues du domaine de l'information et de la communication sont introduites progressivement dans les réseaux de distribution électrique. Ces technologies nécessitent des études poussées et des simulations précises afin d'en évaluer les forces et les faiblesses. Toutefois, la simulation des réseaux électriques  demeure une tâche complexe qui nécessite de tenir compte de plusieurs facteurs : électriques, mécaniques, économiques, naturels, matériels et humains. Pour pallier à la complexité inhérente à la simulation électrique, il est possible de recourir aux systèmes multiagents (SMA). Ils présentent de nombreux avantages. Ils offrent une grande flexibilité en permettant à des agents autonomes de collaborer pour atteindre des objectifs complexes. Le SMA, par opposition au système de simulation monolithique, présente l'avantage d'être une architecture souple et évolutive capable de traiter des opérations complexes. Toutefois, le développement et la manipulation de ces systèmes sont des tâches réservées à des experts en informatique et en SMA. Or, dans le cadre du projet LEOPAR, mené à l'Institut de recherche d'Hydro Québec, nous avons comme principal objectif de développer un SMA accessible à des non-experts en informatique. Le but est de permettre aux décideurs et aux ingénieurs électriques de modifier et de faire évoluer le simulateur de la manière la plus aisée possible. Pour ce faire, nous avons développée une architecture à mi-chemin entre les architectures de Tableau Noir et les SMA. Nous avons utilisé une zone distribuée de partage de données pour permettre la communication des agents. Le partage et l'échange d'informations se fait par la modification des données distribuées. Ce mécanisme réduit la complexité des agents et leur mode de communication. De plus, nous avons spécifié un langage d'actions de haut niveau qui permet de décrire de manière déclarative les actions, leurs effets, leurs conditions et leurs relations. Ce langage d'actions est automatiquement traduit en logique non monotone (Answer Set Programming) afin de permettre la coordination des agents du simulateur. La traduction que nous proposons du langage d'actions surpasse largement les autres langages d'actions en termes de rapidité d'exécution lors de la planification. La combinaison de notre langage d'actions et de la logique non monotone a permis le développement d'un système performant, qui offre la possibilité à des novices de rajouter, modifier ou supprimer des agents du simulateur. Le simulateur multiagents que nous avons développé fonctionne adéquatement et permet, entre autre, de réaliser des simulations de type Monte-Carlo pour l'étude de la fiabilité des réseaux. Notre simulateur permet de quantifier, à l'aide des indices de performances, l'impact et l'apport de nouvelles technologies. Il est en mesure de reproduire avec une grande fidélité des phénomènes électriques, mécaniques et humains, tels que la surcharge électrique des câbles, le changeur de prise des transformateurs, les équipes humaines d'intervention, le temps de restauration variable et la reconfiguration du réseau. Notre simulateur a été testé sur de véritables réseaux de distribution d'Hydro-Québec et a démontré sa capacité à traiter de grandes quantités de données. En comparaison à d'autres  simulateurs électriques multiagents standards, notre  système s'est avéré être tout aussi performant mais beaucoup plus facile à développer et à faire évoluer. Lors des simulations électriques, nous avons été en mesure de réaliser des études de fiabilité qui ont permis de déterminer les facteurs les plus importants influant les performances du réseau.  ABSTRACT: Nowadays, the information system technologies are increasingly used in power distribution systems to improve network reliability and performance. The impact of these structural changes is important and requires in-depth studies and investigations. A better understanding of the effect of these technologies is required to optimize the network. However, the simulation of power network is a complex task, where several technical issues need to be considered such as : electrical, mechanical, economical, natural and human aspects. The idea is to develop a multi-agent system (MAS) that can process complex simulations. Such a system is extensible and modular and it is composed by numerous simple agents that can collaborate and interact in order to achieve complex objectives. Multi-agent systems are capable of reaching goals that are difficult to achieve by monolithic systems or individual agents, which can be complex and hard to maintain and extend. Nevertheless, the development and the maintenance of a MAS is a complex task that has to be performed by experts on computer science and multi-agent systems. In the framework of the project LEOPAR, carried out by the \textit{Institute de Recherche d'Hydro-Québec}, we have as a main objective to develop an accessible and comprehensive MAS. The project's aim was to allow managers to modify the behavior and the objectives of the simulator without the assistance of an expert. To this end, we  developed a simulator based on Blackboard and MAS. Our system relies on a common pool of data to share information between agents. This type of mechanism reduces the communication complexity and makes the development of agents easier. In addition, we defined a new action language that allows to incrementally describe the agent's actions, effects, conditions and relations. Our action language is automatically translated into a non-monotonic logic (Answer Set Programming) in order to process the agent's actions. The translated answer set program has shown to be effective in providing action plans. The action language combined to answer set programming allowed us to develop a powerful and accessible simulator, enabling novice to add, change, and remove agents' behavior. Our simulator works properly and allows, among other things, processing power network assessments using a Monte-Carlo approach. It analyses the impact of introducing new types of technologies, by comparing performance indicators of the network. Moreover, it is able to simulate with accuracy a wide variety of phenomena as wire overloading, protection mechanism activation, tap changer changes, human intervening team patrols, restoration process and network reconfiguration. It has been tested on realistic distribution network of Hydro-Quebec and it performed well in assessing networks. Our simulator is performing similarly to a classical multi-agents system, but with the benefit of being accessible and easy to use.