identifier: Namy, M. (2012). Structural Behaviour of Cast-in-Place and Precast Concrete Barriers Anchored to Bridge Deck Overhangs and Subjected to Transverse Static Loading  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Au Canada et aux États-Unis la majorité des nouveaux dispositifs de sécurités des ponts sont faits des parapets de béton coulé en place. Ce genre de parapets répond bien aux critères de performance recherchés pour la sécurité, soit maintenir sur le pont et bien rediriger les véhicules afin d'éviter qu'ils sortent de la chaussée. Cependant, les parapets sont coulés directement sur la dalle déjà durcie, ce qui restreint les déformations dues au retrait et aux variations thermiques. Ceci engendre la formation des fissures au jeune âge qui accélère la dégradation de parapets et diminue leur durabilité. De plus, la construction de parapets coulés en place constitue une étape qui ralentit la mise en service dû aux opérations de pose d'armatures et de mûrissement du béton. Ceci est particulièrement coûteux pour le remplacement de parapets sur les ponts existants. Pour rectifier ces problématiques de durabilité et de vitesse de construction, l'École Polytechnique de Montréal a mis au point des parapets préfabriqués en béton à haute performance renforcé de fibres métalliques (BHPRF). Les parapets préfabriqués ainsi développés permettent d'une part, d'augmenter la qualité de construction et d'éliminer la problématique de durabilité associée à la formation des fissures au jeune âge. D'autre part, les BHPRF utilisés ont une résistance à l'ouverture des fissures améliorée et une microstructure plus dense, ce qui ralentit la pénétration et diffusion des chlorures dans le béton. Enfin, les parapets préfabriqués permettent de réduire le temps d'installation et accélérer la réparation des ponts. L'obtention d'une performance mécanique adéquate pour le niveau de performance 2 (PL-2) avec des parapets préfabriqués en BHPRF a été démontrée dans des projets antérieurs réalisés à l'École Polytechnique. Cependant, la performance de l'ensemble parapet et dalle de tablier en porte-à-faux n'avait pas été évaluée. Ce projet de recherche a étudié le comportement mécanique de trois ensembles parapet et dalle en porte-à-faux de 6 m de longueur soumis à un chargement statique transversal appliqué sur les parapets visant à reproduire les forces d'impacts de véhicules. Les parapets avaient les configurations suivantes : un parapet continu coulé-en-place typique des constructions faites au Québec, et deux configurations de trois parapets préfabriqués avec niche de liaisonnement avec la dalle coulée en place, une configuration sans liaison entre les parapets et une configuration avec clés de cisaillement entre les parapets. Le comportement de chacune de ces configurations ont été analysés et comparés.  ABSTRACT: In Canada and the United States the majority of new longitudinal bridge barriers are made with cast-in-place concrete barriers. These barriers adequately meet the safety performance criteria to contain and redirect errant vehicles. However, the barriers are cast directly onto the hardened deck and the restrained barrier movements due to shrinkage and thermal effects cause early-age cracking. The early-age cracking accelerates barrier deterioration and decreases their durability. Furthermore, between the rebar placement, formwork assembly, and concrete curing, the installation of cast-in-place barriers is a lengthy process delaying the operational readiness of bridges. The time costs are particularly high during barrier repair and replacement work on existing bridges. In order to resolve these problems, Polytechnique Montreal has been developing a new design of precast bridge barriers made from high-performance steel fibre reinforced concrete (HPFRC). Precasting improves fabrication quality and solves the problem of early-age cracking. In addition, the HPFRC has an increased resistance to crack openings and a denser concrete microstructure, which prevents the penetration and diffusion of harmful chlorides in the concrete. Finally, well-conceived precast barriers reduces installation and repair time of the bridge barriers. The mechanical performance of the HPFRC precast barriers was shown to exceed performance level 2 (PL-2) design criteria in recent projects carried out at Polytechnique Montreal. However, the overall performance of the precast barriers anchored to bridge deck overhangs was not been evaluated. In this research project, the mechanical behaviour of three different barrier configurations subjected to transverse static loading and anchored to identical 6 m long bridge decks with 1 m overhang lengths was evaluated. The following barrier configurations were considered: a typical cast-in-place barrier used in Quebec, and two arrangements of three precast barriers with a cast-in-place connection to the deck, in one the precast barriers were placed side-by-side independently, and in the other shear keys were added between the adjacent precast barriers. The behaviour of the three bridge decks were then analysed and compared.


identifier: Gendron, M. (2012). Imagerie par modulation acoustique de conductivité électrique destinée au diagnostic du cancer du sein  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse porte sur une nouvelle technique d'imagerie médicale qui permet de déterminer la distribution de conductivité électrique des tissus d'une région du corps avec une résolution comparable à celle de techniques courantes d'imagerie par ultrasons. Cette nouvelle technique, appelée imagerie par « modulation acoustique de conductivité électrique » (MACE), est basée sur l'interaction entre une onde acoustique et un champ électrique. Dans sa réalisation expérimentale la plus simple, quatre électrodes placées à proximité de la région à imager appliquent un courant électrique de faible amplitude et mesurent la différence de potentiel résultant du passage du courant dans les tissus. Un transducteur ultrasonore focalisé vient insonifier un voxel de la région d'intérêt, modifiant la distribution de conductivité et, ce faisant, l'amplitude du potentiel mesuré par les électrodes. Une image de la distribution de conductivité peut être obtenue en déplaçant l'ensemble capteur-électrodes pour balayer la région d'intérêt ; l'onde acoustique sert alors d'agent de localisation, tandis que la mesure de potentiel quantifie la variation de conductivité dans chaque voxel insonifié. L'imagerie par MACE présente de nombreux avantages mais aussi des défis importants de mise en œuvre. Puisque ces avantages et défis dépendent de l'application visée, notre démarche a été orientée vers un objectif particulier, soit l'application de l'imagerie par MACE au diagnostic du cancer du sein. Ce choix est justifié par le potentiel que présente cette technique pour discriminer une tumeur maligne des autres tissus mammaires. En effet, des études expérimentales sur des tissus excisés réalisées durant près d'un siècle ainsi que l'apport plus récent des techniques de mesure d'impédance confirment qu'il existe une différence significative dans les spectres fréquentiels de conductivité électrique des tissus cancéreux et sains. Le développement de systèmes de tomographie d'impédance électrique (TIE) orientés vers l'imagerie du sein ne semble pas pouvoir réaliser ce potentiel, principalement parce que la résolution spatiale de la TIE est insuffisante pour détecter les tumeurs à un stade précoce. L'imagerie par MACE pourrait contourner cette limite fondamentale de la TIE. Deux modèles sont proposés dans cette thèse pour réaliser l'imagerie par MACE.  ABSTRACT: This thesis describes a new medical imaging technique for determining the electrical conductivity distribution of tissues in a body region with a resolution comparable to that of current ultrasound techniques. The new technique, henceforth referred to as "Acousto-Electric Conductivity Modulation" (AECM) imaging, is based on the interaction of a sound wave with an electrical field. In its simplest form, four electrodes located near the region to be imaged apply a low-amplitude electrical current and measure the potential difference arising from current flow in the tissues. A focused ultrasound transducer directs a pressure wave to a voxel of the region of interest, modifying its conductivity distribution and, as a result, the amplitude of the potential measured by the electrodes. An image of the conductivity distribution can thus be constructed point-by-point by moving the electrodes and transducer to scan the object. In this context, the acoustic wave acts as the localization agent while the electrical potential provides a measure of the local conductivity change that occurs in the voxel.AECM imaging presents several advantages but also implies addressing significant difficulties in its deployment. Since the advantages and implementation difficulties depend on the intended application, we have focused on achieving a specific objective: applying AECM imaging to the diagnosis of breast cancer. The rationale for this choice is the potential presented by AECM imaging for discriminating cancerous tumors from healthy breast tissue. Indeed, experimental studies on excised tissues carried out over nearly a century, supported by more recent wideband tissue impedance measurements, have shown that there are significant differences in the electrical conductivity spectra of cancerous and normal tissues. Yet electrical impedance tomography (EIT) systems specifically designed for breast imaging do not seem to be capable of providing the required tissue discrimination characteristics, mainly because the low spatial resolution of EIT prevents detecting tumors at an early stage. AECM imaging could overcome this inherent limitation of EIT.Two models are proposed in this thesis for implementing AECM imaging. Formulations for the forward and inverse problems are provided for both models. The forward problem involves computing the AECM signals given the electrical conductivity distribution of the medium and the data acquisition protocol.


identifier: Rufail, L. M. (2012). Antenne Bande L, multifonctionnelle et à profil bas pour application en aérospatiale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les avions commerciaux et long-courriers comportent plusieurs systèmes de navigation et de communication fonctionnant sur une large bande de fréquence. Des antennes placées à l'extérieur de l'aéronef sont nécessaires pour établir le lien entre les systèmes embarqués et le monde extérieur. Les antennes VHF et celles qui opèrent dans la bande L sont particulièrement problématiques. Les antennes VHF présentent de grandes dimensions et celles de la bande L sont très nombreuses car plusieurs instruments utilisent cette bande de  fréquence. Les instruments plus communs dans la navigation aérienne civile sont le système d'Équipement de Mesure de Distance (DME), le système de Surveillance du Trafic et d'Évitement des Collisions (TCAS)et le service de Contrôle de la Circulation aérienne (ATC). Pour tous les systèmes mentionnés un diagramme de rayonnement omnidirectionnel et une polarisation verticale sont requis. Les antennes monopoles de type lame ou blade sont typiquement employées pour remplir ces fonctionnalités. Elles possèdent un diagramme de rayonnement omnidirectionnel dans le plan H ainsi qu'une polarisation verticale. Elles présentent aussi des largeurs de bande satisfaisantes. Par contre, elles ont plusieurs désavantages. Puisqu'elles dépassent du fuselage, elles contribuent à l'effet de traînée, elles augmentent le bruit acoustique au niveau du poste de pilotage et finalement elle peuvent souffrir de la corrosion compte tenu de leur exposition à l'environnement extérieur. Enfin, etant donné qu'elles dépassent de la surface du fuselage elles sont susceptibles d'être endommagées par des objets extérieurs. Dans ce mémoire une nouvelle configuration d'antenne à profil bas est proposée.  Elle est une combinaison d'une antenne à cavité et d'une antenne à fente annulaire. L'antenne, nommée “inverted hat antenna” (IHA), est alimentée par un monopole dont le profil géométrique est composé de trois ellipses. Il est démontré qu'en choisissant les bonnes dimensions pour la cavité, la réponse fréquentielle des pertes de retour peut être contrôlée avec le profil du monopole, et ce, dans le but d'obtenir des résultats optimaux. (31 % de largeur de bande et plus de 15 dB de pertes de retour). Les résultats expérimentaux, en presque parfait accord avec les simulations, montrent que le diagramme de rayonnement est omnidirectional et que la polarisation est verticale.  ABSTRACT: In general commercial airplanes employ many frequency bands for different navigation and communication systems. Antennas placed outside the aircraft fuselage are used for each frequency band to link the aircraft with the outside world. Two frequency bands are particularly problematic, VHF and L-band. In the VHF band antennas have big dimensions. The L band, for its part, is widely used in many applications. This fact implies many antennas over the aircraft skin, such as the ones that belong to Distance Measurement Equipment (DME), Traffic Collision Avoidance System (TCAS) and Air Traffic Control (ATC). Monopole blade antennas are typically employed for the functionalities aforementioned. They exhibit an H-plane omnidirectional radiation pattern and vertical polarization. Also, their bandwidths comply with the systems requirements. Nevertheless, they contribute to drag, as the antenna structures protrude into the air stream. In addition, they add noise in the cockpit and they suffer from corrosion and potential foreign object damage. In this theses, we provide a new alternative “suppressed” antenna for aircraft DME system. This new antenna is a combination of annular slot and cavity antennas. The cavity is fed with the monopole whose profile is shaped according to the inverted hat antenna (IHA). The profile, which is composed by three elliptical segments, and the cavity dimensions can be used to tune the return loss curve to optimal results. (31 % bandwidth with 15 dB return loss). Experimental results, in good agreement with simulations, show that the radiation pattern is omnidirectional and vertically polarized. A detailed analysis of the specification DO-189 has been carried out. This specification describes the characteristics and test procedures for DME system antennas. We conclude that the antenna doesn't comply with the specification due to gain level slightly lower than required, for directions near the horizon.


identifier: Salimshirazi, A. (2012). Transient Heat Transfer in Vertical Ground Heat Exchangers  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse porte sur le transfert de chaleur en régime transitoire à l'intérieur et au voisinage de puits géothermiques verticaux. Un modèle hybride analytique-numérique unidimensionnel du transfert de chaleur dans les puits géothermiques est d'abord présenté. Dans ce modèle, le transfert de chaleur à l'intérieur du puits est traité numériquement alors que pour l'extérieur du puits la méthode de la source cylindrique est utilisée. Cette approche unidimensionnelle s'appuie sur plusieurs hypothèses qui sont rigoureusement présentées. De plus, plusieurs intervalles de temps doivent être considérés à partir du temps de résidence du fluide dans le puits jusqu'au pas de temps des simulations énergétiques en passant par le pas de temps des simulations numériques dans le puits. Le modèle hybride est validé avec succès en le comparant à des résultats numériques et à des résultats d'une expérience de terrain. Il est ensuite utilisé dans des simulations énergétiques d'une pompe à chaleur géothermique mono étagée reliée à un puits géothermique et opérant sur une saison de chauffage. Deux types de simulations sont réalisés, d'abord en considérant la capacité thermique du puits et ensuite en la négligeant. Les résultats montrent que le coefficient de performance (COP) annuel de la pompe à chaleur peut être sous-estimé de 4 à 4.6% lorsque les simulations ne tiennent pas compte de la capacité thermique du coulis et du fluide dans le puits géothermique. Une part importante de ce travail a porté sur la conception, la construction, et la mise en service d'une installation expérimentale à échelle réduite (1/100) pour l'étude du transfert de chaleur transitoire au voisinage de puits géothermiques dans un bac à sable. Cette installation comprend : i) un puits géothermique d'une longueur de 1.23 m muni d'un tube en U précisément positionné et rempli de petites billes de verre qui agissent comme coulis; ii) une soixantaine de thermocouples étalonnés et localisés précisément dans le bac au moyen de fils tendus permettant de mesurer la température du sable; iii) du sable de qualité laboratoire dont on connait les propriétés thermiques; iv) de l'équipement de conditionnement du fluide caloporteur permettant d'alimenter le puits avec le débit et la température voulus. Cette installation expérimentale s'est avérée être indispensable pour la validation du modèle numérique bi-dimensionnel et axi-symmétrique développé dans le cadre de cette thèse. Les résultats numériques issus de ce modèle se comparent très favorablement aux résultats expérimentaux alors que la plupart des résultats sont à l'intérieur de la bande d'incertitude expérimentale  ABSTRACT: Transient heat transfer inside and in the vicinity of vertical ground heat exchangers is the main focus of the present thesis. A hybrid analytical-numerical one-dimensional model is presented where heat transfer in the borehole is treated numerically and ground heat transfer is handled with the classic cylindrical heat source analytical solution. The one-dimensional approach imposes several assumptions which are rigorously presented. As well, the model requires careful treatment of the various time periods from the residence time of the fluid in the borehole to the energy simulation time and including the time steps of the numerical simulation. The hybrid model is successfully validated against analytical solutions and field data. It is used in simulations over an entire heating season with a single-stage geothermal heat pump linked to a borehole. Two sets of simulations are performed: with and without borehole thermal capacity. Results show that for a typical borehole, the annual heat pump coefficient of performance (COP) can be underestimated by 4 to 4.6% when the borehole simulations do not account for the grout and fluid thermal capacities. A significant level of effort went into the design, construction, and commissioning of a small-scale (1/100) experimental sand tank to study transient heat transfer in the vicinity of boreholes. The main features of the facility include: i) an instrumented 1.23 m long borehole with a carefully positioned U-tube and filled with well-characterized small glass beads which act as the grout; ii) a string rack instrumented with some 60 calibrated thermocouples precisely located for sand temperature measurement; iii) laboratory-grade sand with known thermal properties; iv) fluid conditioning equipment that allow to feed the facility with user-specified inlet temperature and flow rate. The experimental facility proved to be invaluable for validating a two-dimensional axi-symmetric numerical model developed for this study. Comparison results show that the numerical results are in very good agreement with the experimental data with most of the results lying within the experimental uncertainty. The measured azimuthal temperature variation at the borehole wall seems to corroborate recent findings obtained using the analytical multipole method.


identifier: Fanaei, A. E. (2012). Caractérisation expérimentale des écoulements capillaires dans les renforts fibreux à double échelle de porosité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Aujourd'hui, les matériaux composites à matrice polymère renforcés jouent un rôle important dans des secteurs technologiques de pointe comme l'aéronautique par exemple. En effet, ces matériaux conservent des propriétés mécaniques intéressantes pour un poids réduit en comparaison avec des matériaux plus standards comme les différents alliages métalliques. L'autoclave reste la principale méthode de fabrication des composites, mais les procédés d'injection sur renforts (« Liquid Composite Molding (LCM) ») sont de plus en plus utilisés pour la fabrication des composites à haute performance. Dans les procédés LCM, le renfort fibreux est d'abord déposé dans la cavité du moule. Ensuite, le moule est fermé et une résine polymère est injectée ou infusée sous vide à travers le renfort. Après consolidation et cuisson, la pièce finale est démoulée. Les renforts utilisés dans les procédés LCM possèdent en général une architecture à double échelle de porosité avec des macropores entre les mèches et des micropores dans les mèches. Dans ces procédés la capillarité joue un rôle important au niveau de l'imprégnation des mèches. Cependant, ce même phénomène est aussi responsable en grande partie de la formation de « vides ». Il est important de différencier la notion de « porosité » et les « vides ». La « porosité » d'un renfort fibreux représente la somme des espaces libres entre les mèches du renfort et à l'intérieur de celles-ci, avant imprégnation par la résine. Les « vides » sont les espaces résiduels qui n'ont pas été remplis par la résine après l'injection. Les porosités constituent une caractéristique du renfort, alors que les vides sont propres à la pièce composite finie et dépendent du procédé de mise en oeuvre. Afin de minimiser la formation des vides, il est primordial de comprendre les mécanismes d'imprégnation du renfort fibreux dans les procédés LCM. C'est pourquoi une étude des écoulements capillaires dans les renforts fibreux à double échelle de porosité est nécessaire. A cette fin, un nouveau montage expérimental fondé sur la montée capillaire a été développé afin de suivre l'évolution de l'écoulement capillaire dans les mèches et les renforts.  ABSTRACT: Today, polymer matrix composites reinforced with continuous fibers play an important role in advanced technological sectors such as aeronautics and aerospace through their high mechanical properties and relatively low weight compared to metallic alloys. The main manufacturing method remains autoclave, but Liquid Composite Molding (LCM) processes are increasingly in the fabrication of high performance composites. In LCM, after closure of the mold or covering of the fibrous reinforcement with a plastic bag, a polymer resin is either injected or infused under vacuum through the fiber bed. After consolidation and curing, the finished composite part is unmolded. The fabrics commonly used in LCM exhibit in general a dual scale architecture: microscopic pores exist between the filaments of the fiber tows, while macroscopic pores are created between the tows. Impregnation of the fiber tows carried out by capillary forces is largely responsible of « void » formation. It is important to differentiate « porosity » and « voids ». « Porosity » represents the sum of empty spaces between the fiber tows and inside the fiber tows of the fibrous reinforcement before resin impregnation. « Voids » are the unfilled spaces after resin injection. Porosity is a characteristic of fibrous reinforcement, whereas the creation of voids in the finished composite part is specific to the process. To understand the mechanisms of resin impregnation and the formation of voids in LCM, a study of capillary flow in fibrous reinforcements of dual scale porosity is necessary. For this purpose, a new experimental setup is proposed in this research project to observe and monitor the evolution of capillary flows in fiber tows and fibrous reinforcements. The capillary rise method has already been used in Soil Mechanics and to characterize engineering fabrics. However, such experiments are not easy to perform, because of technical deficiencies  such as textile alterations, changes in fluid properties and the difficulty to follow accurately the progression of the capillary front that result from image fading. To circumvent these problems, a new monitoring technique based on fluorescent dye penetration inspection (DPI) and image acquisition is proposed. In the experimental observation of the capillary front and the measurement of the uptake fluid mass absorbed by the fabric, images taken during the capillary rise are associated with the mass absorbed over time. The mass of absorbed fluid is then associated with the evolution of the fluid front on the images during a capillary rise.


identifier: Goulmot, D. (2012). Nouvelles méthodes numériques pour l'analyse sismique des réservoirs de liquide: effets de l'asymétrie,du ballottement en surface libre et de blocs de glace en flottaison  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce travail a permis de developper une methode semi-analytique originale permettant de calculer la reponse sismique des reservoirs rectangulaires symetriques, ou presentant une eventuelle asymetrie geometrique ou materielle des parois. La methode proposee est basee sur la methode de sous-structuration et permet la prise en compte de la exibilite des parois, de la compressibilite du liquide contenu, d'une condition de radiation au fond du reservoir, du ballotement de la surface liquide et permet d'integrer une condition plus generale de masses ottantes comme des blocs de glace. La methode emploie les elements nis pour le calcul des modes propres de la structure seche et se base sur la technique des valeurs limites pour resoudre l'equation differentielle regissant le potentiel des vitesses du uide. La methode est limitee aux petites variations et emploie la theorie lineaire d'Airy pour la modelisation du probleme de ballotement. La technique proposee a ete programmee et validee a l'aide de modeles elabores par la methode des elements nis, pour plusieurs exemples numeriques. Elle a notamment permis de mettre en evidence l'eet amplicateur d'un couvert de glace sur la reponse du uide et de la structure.  ABSTRACT: This work proposes a semi-analytical method to calculate the dynamical response of symmetric and asymetric rectangular liquid containing structures in two dimensional space. The proposed method is based on the substructure method and can take account of the exibility of each wall independantly, the compressibility of the liquid, a radiation condition at the tank bottom, the sloshing of the liquid surface and allows to take account of a more general condition of oating masses such as ice-blocks. The method uses the nite element technique to compute the natural modes of the dry structure and deals with the fuid potential by solving the boundary value problem. The method is limited to small changes, and employs Airy linear theory for modeling the sloshing problem. The proposed technique has been programmed and validated using the nite element method for several numerical examples. It provided an opportunity to highlight the amplifying eect of an ice cover on the response of the fuid and the structure.


identifier: Jin, L. (2012). Thermodynamic Modeling of Aluminum-Magnesium-Rare Eearth Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le magnésium et ses alliages sont les matériaux métalliques structuraux les plus légers et, de ce fait, jouent un rôle croissant dans les domaines de l'automobile, de l'aérospatial et de l'électronique. Bien que le magnésium puisse être recyclé aisément et ait une conductivité thermique élevée et de bonnes propriétés de protection électromagnétique, il présente des inconvénients : une force insuffisante, une faible résistance à la corrosion et au fluage,… L'utilisation d'alliages de magnésium est l'une des méthodes fréquemment utilisées pour améliorer les propriétés du magnésium. L'ajout de terres rares (RE : « Rare Earth ») à des alliages de magnésium peut améliorer leur force et leur résistance au fluage à température élevée en formant des précipités stables à base de Mg (REyMgx), Al (REyAlx) ou Zn (REyZnx). Parallèlement au développement d'alliages de Mg, les alliages Al–RE (aluminium-terre rare) sont d'intérêt en science des matériaux dans le cadre du développement d'alliages légers. Les terres rares sont des éléments d'alliage d'importance croissante pour les alliages d'aluminium à cause de leur capacité à améliorer les propriétés à haute température et les caractéristiques de moulage. De plus, les alliages Al–RE rapidement solidifiés offrent aussi la possibilité d'obtenir un meilleur comportement en corrosion. Les méthodes calculatoires sont des outils importants et puissants pour la sélection et l'élaboration de nouveaux alliages de magnésium. Elles aident à comprendre le comportement des matériaux et réduisent significativement la quantité de travail expérimental requise. De plus, les terres rares pures sont très coûteuses. Jusqu'à présent, il n'existait aucun diagramme de phases pour les systèmes Mg-Al-Mischmetal optimisé à l'aide du modèle quasichimique (prenant en compte l'ordre à courte distance) pour la phase liquide, à l'exception de quelques optimisations récentes (Al–Ce, Al–Y, Al–Sc) effectuées par le Dr. Youn-Bae Kang au CRCT de l'Ecole Polytechnique de Montréal. De plus, certains systèmes (Al–Mg–Pr, Al–Mg–Nd, Al–Mg–Tb, Al–La–Nd, Al–Pr–Nd, Al–La–Pr, Al–Ce–La et Al–Ce–Pr) n'avaient pas encore été optimisés thermodynamiquement. L'objectif principal de cette thèse est de développer une banque de données thermodynamiques pour le système Al–Mg–La–Ce–Pr–Nd–Sm–Gd–Tb–Dy–Ho–Er. Ainsi, des modèles thermodynamiques pour le liquide, les solutions solides et les composés stœchiométriques ont été proposés; les diagrammes de phases et les propriétés thermodynamiques des systèmes binaires Al–RE, Mg–RE et RE'–RE", ainsi que des systèmes ternaires Mg–Al–RE et Al–RE'–RE" ont été optimisés à l'aide des données expérimentales et / ou théoriques. Le second objectif consiste à faire des expériences clés dans la région riche en magnésium afin de vérifier les équilibres des phases, car cela est très important pour la conception de nouveau alliage à base de magnésium. L'étude expérimentale a été effectuée pour les systèmes ternaires Al–Mg–La, Al–Mg–Ce, Al–Mg–Pr et Al–Mg–Nd afin d'obtenir les phases en équilibres ainsi que les informations concernant les solubilités des solutions solides. Le troisième objectif de la recherche consiste à développer des méthodes originales pour estimer les données thermodynamiques absentes de la littérature scientifique pour les phases contenant des terres rares. Nous avons tout d'abord optimisé les systèmes binaires Al–RE (RE= La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er) à partir d'une revue de la littérature pour les solides (composés intermétalliques, structures cristallographiques, températures de fusion, chaleurs de formation, températures de transformation,…), pour les propriétés du liquide (enthalpie de mélange intégrale, enthalpie de mélange partielle, activités des composants, capacités calorifiques, solubilités à l'état solide,…) et pour les données expérimentales de diagrammes de phases. Une approche systématique a été adoptée au cours des optimisations thermodynamiques. Puisque les terres rares sont chimiquement proches, une comparaison avec les terres rares voisines et une analyse systématique de la température de fusion des composés a facilité l'optimisation du système Al–Tb pour lequel peu de données expérimentales étaient disponibles. Deuxièmement, pour les systèmes Mg–RE pour lesquels les données expérimentales étaient rares ou contradictoires, des calculs de premier principe ont été utilisés pour évaluer l'enthalpie de formation de certains composés ainsi que l'enthalpie de mélange pour les phases FCC et HCP à l'aide de la technique “supercell”. En parallèle, des estimations ont été faites à l'aide du modèle semi-empirique de Miedema puis ont été comparées aux calculs de premier principe. Il a été suggéré que le modèle semi-empirique de Miedema peut fournir un bon estimé initial pour l'enthalpie de formation des composés et l'enthalpie de mélange de solutions sans un coût élevé en calculs. Ainsi, le modèle de Miedema a été utilisé pour estimer l'enthalpie de formation des composés ternaires et des phases métastables dans les systèmes ternaires Mg–Al–RE. Troisièmement, en ce qui concerne les systèmes ternaires Mg–Al–RE, leurs propriétés thermodynamiques et leurs équilibres de phase ont été moins étudiées comparativement aux autres systèmes métalliques. Les évaluations et optimisations thermodynamiques des systèmes Al–Mg–RE (RE= La, Ce, Pr, Nd, et Sm) ont été effectuées systématiquement sur la base de l'information disponible dans la littérature et de nos résultats expérimentaux. Dans ce travail, des expériences-clés ont été réalisées pour les systèmes Mg–Al–La, Mg–Al–Ce, Mg–Al–Pr, et Mg–Al–Nd pour vérifier les équilibres de phases dans le coin riche en Mg et les solubilités à l'état solide. Les estimations à l'aide du modèle de Miedema de l'enthalpie de formation pour les composés ternaires ont été utilisées pour les optimisations thermodynamiques de tous les systèmes Mg–Al–terre rare. Dans les systèmes Mg–Al–Gd (Dy, Ho), des compromis ont été faits entre les données expérimentales (température du liquidus) et les optimisations en considérant la fiabilité limitée des expériences à haute température (1200 K et plus). Nous n'avons pas jugé nécessaire l'utilisation de nombreux paramètres ternaires en excès pour le liquide pour bien reproduire les données expérimentales. Le système Mg–Al–Tb a été estimé en supposant des similarités avec les systèmes Mg–Al–Gd (Dy), et les résultats correspondants ont été présentés pour la première fois dans la présente étude. Une technique d'interpolation de type Kohler a été utilisée, considérant le fait que les enthalpies de mélange des liquides Al–Mg, Al–RE et Mg–RE sont très différentes les unes des autres. Quatrièmement, pour les systèmes Al–RE'–RE", les systèmes binaires RE'–RE" (La–Ce, La–Pr, La–Nd, Ce–Pr, Ce–Nd, Pr–Nd) ont été optimisés à partir de l'information expérimentale disponible. A l'exception des systèmes La–Nd et Ce–Pr, aucun paramètre en excès n'a été utilisé pour le liquide. Des données expérimentales ne sont disponibles que pour le système Al–Ce–Nd. Les autres systèmes Al–RE'–RE” ont été optimisés en supposant des propriétés thermodynamiques similaires à celles du système Al–Ce–Nd. Finalement, des applications de la banque de données thermodynamiques ont été montrées. La banque de données thermodynamiques pour les systèmes Mg–Al–RE fournira une ligne directrice claire pour la sélection et l'élaboration d'alliages de Mg et de Al; ce qui permettra d'éviter des expériences à long-terme improductives portant sur des alliages ayant moins de potentiel pour des applications pratiques.  ABSTRACT: As the current lightest structural metallic material, magnesium and its alloys play an increasingly important role in automotive, aerospace and electronic consumer products.  Although magnesium has excellent recyclability, high thermal conductivity, good electromagnetic shielding characteristics and so on, it suffers from its shortcomings: insufficient strength, poor corrosion and low creep resistance, etc. Alloying magnesium is one of the frequently used methods to improve its properties. Adding Rare Earth (RE) metals to magnesium alloys can improve their strength and creep resistance at elevated temperatures by forming stable precipitates with Mg, for example, (REyMgx), Al (REyAlx) or Zn (REyZnx).  Parallel to Mg alloys development, Al–RE (aluminum – rare earths) alloys have been of interest to materials scientists who want to develop light weight alloys. Rare earths have an increasing importance as alloying elements in aluminum alloys because of their ability to enhance the high temperature properties and casting characteristics. Moreover, rapidly solidified Al–RE alloys also offer the possibility of obtaining better corrosion behavior. Computational methods are important and powerful tools in the selection and design of new magnesium alloys. These methods help our understanding of materials behavior, while they significantly reduce extensive and time-consuming experimental work. Furthermore, pure rare earth metals are expensive. Up to the present, few phase diagrams for Mg–Al–Mischmetal systems have been optimized using the quasichemical model (which takes into account short-range ordering) for the liquid phase except some recent optimizations (Al–Ce, Al–Y, and Al–Sc) by Dr. Youn-Bae Kang of CRCT at École Polytechnique de Montréal. Furthermore, some systems (Al–Mg–Pr, Al–Mg–Nd, Al–Mg–Tb, Al–La–Nd, Al–Pr–Nd, Al–La–Pr, Al–Ce–La, and Al–Ce–Pr) have not yet been thermodynamically optimized. The main objective of this thesis is to build a thermodynamic database for Al–Mg–La–Ce–Pr–Nd–Sm–Gd–Tb–Dy–Ho–Er systems. To this end, thermodynamic models of liquid and solid solutions and stoichiometric compounds have been proposed; phase diagrams and thermodynamic properties of binary Al–RE, Mg–RE, RE'–RE" systems, ternary Mg–Al–RE and Al– RE'– RE"  systems have been optimized based on experimental and/or theoretical  data. The secondary objective of this research is to do key experiments in the magnesium-rich corners of ternary systems to check phase equilibrium, since this is very important for Mg alloy design. Key experimental investigations have been performed for the Al–Mg–La, Al–Mg–Ce, Al–Mg–Pr and Al–Mg–Nd ternary systems in order to obtain phase equilibria and solid solubilities information. The third objective in this work is to find or develop proper methods for estimating the missing thermodynamic data for the binary and ternary phases which include rare earth elements. First, Al–RE (RE= La, Ce, Pr, Nd, Sm, Gd, Tb, Dy, Ho, Er) binary systems were optimized, based on literature review for the solids (intermetallic compounds, their crystal structures, melting points, enthalpy of formation, transformation temperature, etc), liquid properties (integral enthalpy of mixing, partial enthalpy of mixing, activities of the components, heat capacities, solid solubility and so on) and experimental phase diagram data. A systematic approach has been used in the course of thermodynamic optimizations. Since rare earths are chemically similar, comparision with neighboring rare earth elements and systematic analysis of melting point of compounds helped in the optimization of the Al–Tb system, in which few experimental data are available.  Second, for the Mg–RE systems in which the experimental data were scarce or contradictory, First-Principles were employed to calculate the enthalpy of formation of certain compounds and enthalpy of mixing for the FCC and HCP phases using the supercell technique. Meantime, estimations from the semi-empirical Miedema model were made and compared to First-Principles calculations. It was suggested that the semi-empirical Miedema model can provide a good initial guess for the enthalpy of formation of compounds and the enthalpy of mixing for solutions for thermodynamic optimizations, without high computing cost. Therefore, the Miedema model was used to estimate the enthalpy of formation of the ternary compounds and metastable phases in Mg–Al–RE ternary systems.  Third, as for Mg–Al–RE ternary systems, less research has been done on the thermodynamic properties and phase equilibria of these systems compared to other metallic systems. Thermodynamic evaluations and optimizations of the Al–Mg–RE (RE= La, Ce, Pr, Nd, Sm) systems have been systematically carried out on the basis of literature information and our experimental results. In this work, key experiments were performed for the Mg–Al–La, Mg–Al–Ce, Mg–Al–Pr, and Mg–Al–Nd systems to check phase equilibria in the Mg-rich corners and solid solubilities. The estimations of enthalpy of formation for the ternary compounds from Miedema model were used for thermodynamic optimizations of all the Mg–Al–rare earth systems. In the Mg–Al–Gd (Dy, Ho) systems, careful weighting was made between the experimental data (liquidus temperature) and optimization results, considering the restricted accuracy of experimental results at high temperatures (1200 K and more). It was judged unnecessary to use many excess ternary parameters for the liquid to fit satisfactorily the experimental data. The Mg–Al–Tb system was estimated by assuming similarities to the Mg–Al–Gd (Dy) systems and is presented for the first time in the present study. The Kohler-type interpolation method was used, seeing that the enthalpies of mixing of the liquid in the Al–Mg, Al–RE, and Mg–RE systems differ significantly. Fourth, RE'–RE" (La–Ce, La–Pr, La–Nd, Ce–Pr, Ce–Nd, Pr–Nd) binary systems were optimized based on the available experimental information. Except for the La–Nd and Ce–Pr systems, no excess parameters were used for the liquid. For the Al–RE'–RE" systems, experimental data are available only for the Al–Ce–Nd system. Other Al– RE'–RE” systems were optimized assuming thermodynamic properties similar to those of the Al–Ce–Nd system.  Finally, some applications of this thermodynamic database were shown. The thermodynamic database of the Mg–Al–RE systems will provide clear guidelines for Mg and Al alloy selection and design, thereby avoiding unproductive long-term experiments with alloys which have less potential for practical applications.


identifier: Kuhn, X. (2012). Technique de reconfiguration d'antennes par décomposition des diagrammes de rayonnement  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'expansion des télécommunications entraîne une demande de plus en plus forte en débit et en qualité de service. Ceci implique une constante évolution des systèmes sans-fil utilisés. Le déploiement des systèmes à multiples antennes (MIMO) est une solution très intéressante pouvant augmenter la fiabilité du canal et la quantité d'information transmise. Cependant, de nouveaux problèmes tels que la corrélation des canaux apparaissent. Parallèlement à cette technologie, les antennes reconfigurables sont utilisées depuis bien longtemps dans divers domaines comme celui des radars. Leur capacité à s'adapter à leur environnent n'a pas échappé aux chercheurs. En combinant ce type d'antennes dans des systèmes MIMO, diverses études indiquent une possible diminution de la corrélation des canaux par modification du diagramme de rayonnement de l'antenne par exemple.  Tout ceci est très intéressant, encore faut-il une méthode de reconfiguration capable de s'exécuter rapidement. Une technique assurant la meilleure configuration consiste à estimer le canal de transmission pour toutes les configurations possibles de l'antenne. Cependant, toutes ces estimations font perdre un temps précieux et affectent la capacité du canal. Une manière plus élaborée de configurer une antenne est de déterminer la position des sources par des méthodes comme MUSIC ou ESPRIT. Malheureusement, le nombre de sources pouvant être trouvées est limité et la complexité est assez importante. On se propose ici de mettre au point une technique dont le but principal est de reconfigurer une antenne en diminuant le plus possible le nombre d'estimations du canal. Les canaux non-estimés vont devoir être reconstruits par un certain calcul détaillé dans notre étude. Brièvement, ce calcul se base sur une décomposition mathématique du diagramme de rayonnement de l'antenne en fonction de coefficients dépendants uniquement de la configuration de l'antenne et de diagrammes de rayonnement particuliers de l'antenne (configurations fixées). Cette technique doit bien entendu être utilisable dans un système MIMO. Les antennes étudiées sont des réseaux d'antennes linéaires uniformes (ULA) et des antennes à perte formées à partir de méta-matériaux (CRLH).Cette étude va nous mener à observer le comportement de notre technique face à des erreurs d'estimation des canaux mesurés et des erreurs sur la reconstruction des canaux non-mesurés. Chacune de ces erreurs a ses propres caractéristiques mais au final elles dépendent toutes deux des configurations des canaux mesurés. On explique qu'un moyen simple pour parer à ces deux erreurs consiste à mesurer beaucoup de canaux ce qui va à l'encontre du but fixé par notre technique.  ABSTRACT: The demand for faster data rates and better quality of services constantly increases with the expansion of wireless telecommunications. Employing Multiple Input Multiple Output (MIMO) systems is a very interesting solution to improve reliability of channel and enhance data transmission. Unfortunately, new problems such as channel correlation appear. Next to these systems, reconfigurable antennas have been used for a long time in different fields like radars. Their capability to adapt to their environment has generated significant interest in adding new degrees of freedom. By combining this kind of antenna with a MIMO system, different studies show some enhancements in adapting dynamically their radiation pattern for example. To dynamically adapt antenna, a fast and reliable reconfigurable method has to be used. In order to find the optimal antenna configuration we can proceed to a complete scanning of available configurations, which is time consuming and decreases the achievable data rate. We can also use direction of arrival estimation using the MUSIC algorithm. However, in a rich multipath environment, the direction of arrival is hard to estimate accurately with the MUSIC algorithm. Other algorithms, such as ESPRIT, could be used to estimate the channel parameters. However, they are computationally intensive, especially in a MIMO environment. Furthermore the number of direction of arrival which can be found is limited by the number of receiver. To save time we describe here a technique using estimations of the channel for a low number of configurations of the antenna.


identifier: Diallo, A. (2012). Méthodologie d'analyse des stationnements  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'urbanisation et la forte motorisation de nos sociétés ont apporté de multiples défis aux acteurs chargés de la gestion urbaine, notamment par rapport à la mobilité des individus et à l'occupation des sols. La gestion du stationnement, qui fait le lien entre le domaine de l'urbanisme et le transport, s'avère être un des moyens indispensables de répondre à ces défis. Toutefois, plusieurs obstacles reliés à l'étude du stationnement en font un domaine peu couvert en matière de recherche en transport (Shoup, 2005a). Parmi ces obstacles, on peut citer les difficultés reliées à la collecte de données en stationnement comme le plus important. À Montréal, l'usage de données issues des enquêtes origine-destination (OD) dans la compréhension des phénomènes de mobilité constitue un avantage important. En effet, les données d'enquêtes OD recueillies à Montréal, depuis plus de quarante ans (Ministère des Transports du Québec, 2011a), sont une source de données importante donnant accès à une banque d'informations très utiles dans l'observation et l'analyse des comportements de mobilité des populations. Cette recherche vise à analyser la possibilité d'utiliser des données d'enquêtes OD, telles que celles utilisées à Montréal, pour étudier le stationnement. Ainsi, il été dégagé trois objectifs principaux qui sont :  Proposer une méthode d'estimation des capacités de stationnement à partir des données d'enquêtes OD  Proposer une méthode de validation de ces capacités par le biais d'outils SIG (systèmes d'information géographique) et de services tels que Google et OpenStreetMap.  Étudier l'utilisation des espaces de stationnement selon les activités des usagers et leurs variabilités dans le temps. Un portrait de la situation est dressé grâce à une revue de littérature, avec une présentation des défis et des percées reliés au domaine de la gestion des stationnements. L'auteur y présente également des études effectuées dans le domaine, ainsi que les méthodes préalablement développées pour diverses études de stationnement.  ABSTRACT: Urbanization and the high motorisation of our societies have brought many challenges for those responsible for urban management, particularly in relation to the mobility of people and land use. Parking management, which makes the link between the field of urban planning and transportation, is proving to be crucial to meet these challenges. However, several obstacles related to the study of the phenomenon makes parking study an area poorly covered in transportation research (Shoup, 2005a). Difficulties related to parking data collection are among those obstacles. In Montreal, the use of data from origin-destination surveys in understanding the phenomena of mobility is an important advantage. Indeed, OD survey data collected in Montreal for over forty years (Ministère des Transports du Québec, 2011a), are an important data source which provide access to a bank of valuable information about travel behavior. This research study aims to analyze the possibility of using OD survey data, such as those used in Montreal to study the phenomenon of parking. The three main objectives are:  To propose a method for estimating parking capacity from OD survey data.  To propose a method of validating these capabilities through GIS tools (geographical information systems) and services such as Google and OpenStreetMap.  To investigate the use of parking spaces according to users' activities and their variability over time. A portrait of the situation is compiled through a literature review with a discussion of challenges and breakthroughs related to the field of parking management. The author also presents studies in the field, and the methods previously developed for various parking studies.


identifier: Duclos, E. (2012). ACRE: un générateur automatique d'aspect pour tester des logiciels écrits en C++  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La qualité d'un logiciel est une notion très importante de nos jours. Un des moyens de s'assurer de la bonne qualité d'un logiciel est de le tester afin d'en détecter, et de corriger, le plus grand nombre de bogues possible.  L'approche proposée dans ce mémoire de maîtrise consiste à utiliser la programmation orientée aspect (AOP, pour Aspect Oriented Programming) afin de tester des programmes ecrit en C++. Elle consiste de plus en la création d'un langage dédie (DSL, pour Domain Specific Language) et d'un logiciel capable de le lire, ACRE (Automatic aspeCt cREator). Ces deux outils permettent la génération automatique d'aspects écrits en AspectC++, aspects permettant d'effectuer des tests de mémoire, d'invariants ou d'interférence dans des programmes écrits en C++.  La programmation orientée aspect est un paradigme basé sur le principe de la séparation des préoccupations, qui veut que chaque module d'un programme s'occupe uniquement d'une préoccupation et ne s'implique pas dans les autres. L'AOP a déjà été utilisée afin de tester des logiciels, mais uniquement pour des programmes écrits en Java et pour des programmes embarques écrits en C++. De plus très peu de solutions ont été proposées afin d'automatiser la création des aspects et leur utilisation. Lorsque de telles solutions ont été proposées, elles l'étaient uniquement pour des programmes écrits en Java. Notre approche permet donc la génération automatique d'aspects pour des programmes écrits en C++. Ceci est fait grâce au DSL non-intrusif (dans le sens qu'il ne modifie pas le comportement du code source) introduit sous forme de commentaires dans le code source du programme à tester.  L'écriture des lignes de DSL au plus près du code à tester est par ailleurs la seule modification requise à effectuer dans le code source du programme. Les aspects générés sont écrits dans des fichiers séparés et sont ensuite tisses au moment de la compilation avec le code source du programme. Notre approche permet ainsi aux développeurs de pouvoir tester un programme sans avoir à en modifier le comportement. Une première étude de cas pour notre approche est son application afin de tester NOMAD, logiciel d'optimisation de fonctions de type boite noire, utilisé tant en recherche qu'en industrie. Nous avons donc généré automatiquement des aspects permettant la découverte de bogues dans NOMAD. Un test de mémoire nous a permis de détecter une fuite mémoire importante, rapportée par un relevé de bogues d'un utilisateur, grâce à un aspect généré automatiquement.   Une deuxième étude de cas nous a permis de rassurer l'équipe de développement de NOMAD. Nous avons en effet pu vérifier la validité d'un point mathématique crucial de l'algorithme implémenté. Ce test d'invariant a été là encore effectué grâce à un aspect généré automatiquement et sans modifier le comportement du code source de NOMAD.  Une troisième étude de cas concerne la détection de bogues de type interférence dans des programmes parallèles Un bogue de type interférence se produit lorsque qu'au moins deux fils d'exécution d'un programme tentent d'écrire en même temps dans une même variable. Ce type de bogue fait partie des bogues affectant les programmes parallèles les plus difficiles à détecter et peu de logiciels actuels permettent de les découvrir à coup sûr. Notre approche permet l'obtention, grâce à des aspects, des temps d'accès en lecture et en écriture d'attributs du programme, ces temps étant ensuite utilisés par une approche mathématique qui aide les logiciels actuels dans leur détection de ce type de bogue.   Il y a cependant des limites à l'utilisation de notre approche, notamment dues à des limitations inhérentes à AspectC++, limitations dont nous discutons.  ABSTRACT: In the modern era, software quality is very important. In order to have high software quality, we can test it to find and remove the maximum number of bugs.  Our approach uses Aspect-Oriented Programming (AOP) to test software written in C++. We propose a Domain Specific Language (DSL) and ACRE, an Automatic aspeCt cREator that can read our DSL. From these two tools we can automatically generate aspects written in AspectC++ to perform memory, invariant and interference testing for software written in C++.  Aspect-Oriented Programming is a paradigm based on the concept of separation of concerns. In this concept, each module deals with one and only one concern, and does not deal with the concerns of other modules. AOP has already been used in testing, but only for software written in Java or embedded software written in C++. Few of these approaches allow an automatic generation of aspects, and to date, it was only to test software written in Java. Our approach allows automatic aspect generation for software written in C++ thanks to our non-intrusive DSL (in the sense that it does not change the behavior or the source code). Our DSL is inserted in the source code of the tested software as comments and this is the only modification made in the source code. Generated aspects are then written to dedicated files and woven within the source code at compile time. Our approach allows developers to test software without having to modify its behavior.  Our first case study is to apply our approach with the intent of testing NOMAD, a black box optimization software used both in research and industry. Using automatically generated aspects, we are able to do memory testing in NOMAD and locate an important memory leak mentioned in a bug report.  Our second case study is to do invariant testing in NOMAD. We are able, still using a generated aspect, to verify a crucial mathematical point of the implemented algorithm without modifying the behavior of the source code of NOMAD.  The third case study concerns interference testing in multi-threaded programs. An interference bug occurs when at least two threads try to write to the same shared variable at the same time. This kind of bug is one of the most difficult to detect and no software is able to them with 100% accuracy. Our approach is used to get both read and write access times for the attribute of the tested software using aspects. These times are then used in a mathematical approach that helps the actual software find interference bug patterns.  However there are some limitations to our approach, due to inherent limitations of AspectC++. These limitations are discussed in this thesis.


identifier: Pasha, S. (2012). Biomechanical Modeling and Characterization of the Postural Parameters in Adolescent Idiopathic Scoliosis  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose est une déformation 3D de la colonne vertébrale qui influence la morphologie et l'alignement de la colonne vertébrale, du bassin et de la cage thoracique. Bien que plusieurs paramètres soient introduits pour identifier et évaluer les courbes chez les sujets scoliotiques, la relation biomécanique entre la colonne vertébrale et le bassin ainsi que ses impacts sur la posture et l'équilibre général des sujets scoliotiques n'est pas encore élucidée. Le but de ce projet doctoral était d'examiner l'interaction spino-pelvienne en mesurant les paramètres biomécaniques chez les sujets atteints de scolioses idiopathiques adolescentes (SIA). La cinématique pelvienne, l'orientation spino-pelvienne relative et le chargement biomécanique lombo-sacré ont été examinés chez des sujets avec des courbures différentes. L'hypothèse que nous souhaitons vérifier est que l'interaction spino-pelvienne (au niveau des paramètres statiques, cinématiques et des chargements biomécaniques à l'interface entre le rachis et le bassin) est non seulement différente entre les SIA et les contrôles, mais varie aussi entre les sujets présentant différents types de scolioses. De plus, l'effet d'une instrumentation chirurgicale du rachis sur l'équilibre ainsi que sur l'interaction biomécanique spino-pelvienne a été étudié post opérativement. Donc, après avoir examiné la littérature pertinente, trois chapitres ont été consacrés pour examiner l'hypothèse générale de ce projet. Chaque chapitre aborde un aspect de l'interaction spino-pelvienne chez les sous-groupes scoliotiques et compare les résultats avec un groupe de contrôles de la même catégorie d'âge-sexe. Bien que l'orientation pelvienne entre les sujets SIA et le groupe contrôle était différente, il n'est pas vérifié dans quelle mesure l'orientation pelvienne et l'alignement spino-pelvien affectent la cinématique du bassin chez les sujets présentant différents types de courbures. Par la suite, l'interférence entre l'orientation du bassin et le mouvement spino-pelvien a été étudiée.  ABSTRACT: Scoliosis is a 3D spinal deformity which impacts the morphology and alignment of the spine, the pelvis, and the ribcage. Although several spinal parameters are introduced to identify and evaluate scoliotic curves, there is not much known about the biomechanical relationship between the spine and the pelvis and its impact on the overall posture and equilibrium of the scoliotic patients. The focus of this Ph.D. project was to investigate the spino-pelvic biomechanical interaction in adolescent idiopathic scoliosis (AIS) more closely. Spine and pelvic kinematic, relative spino-pelvic orientation in static, and lumbosacral biomechanical loading were investigated in subjects with different curve patterns. We hypothesized that spino-pelvic interaction is not only different between AIS and controls, but also varies between subjects with different scoliotic types in static, kinematic, and biomechanical loading. Furthermore the hypothetical effect of the spinal operation on equilibrating the spino-pelvic biomechanical interaction was tested postoperatively. Hence, after reviewing the pertinent literatures, 3 chapters were devoted to investigate the general hypothesis of this project. Each chapter tries to investigate one aspect of the spine and pelvis interaction in scoliotic subgroups and compares the results with an age-gender match group of controls. Although the pelvic alignment in the AIS group was different from the age-gender matched control group, it is not closely verified to what extent the pelvic orientation and the spino-pelvic alignment affect the pelvis kinematic in subjects with different curve types and subsequently its impact on the spino-pelvic movement is not determined. An experimental setup was designed to investigate the pelvic 3D motion during simple trunk movement in vivo.


identifier: Rouphael, S. (2012). Outils de requêtes statistiques et de caractérisation des potentialités de développement d'un réseau d'autopartage  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux routiers sont surchargés dans les pays en voie de développement et dans les pays fortement industrialisés. Pour remédier à ce problème, les villes encouragent et financent des modes de transports alternatifs tels que le transport en commun. En plus, toutes les initiatives qui limitent l'usage d'un véhicule personnel sont fortement encouragées. Dans ce même ordre d'idées, il y a eu mondialement des initiatives d'autopartage. L'autopartage est un système de location de voiture pour une courte durée dont les réservations peuvent être réalisées par internet ou par téléphone. Ce mode de transport a commencé en Europe, ensuite en 1994, la première initiative nord-américaine a eu lieu au Québec. De nos jours, la compagnie Communauto, dont le siège social est à Montréal, offre ce service au Québec. Ce mémoire représente des études analytiques propres à cette compagnie.Depuis sa création, le système d'autopartage suscite l'intérêt des chercheurs. En effet, plusieurs recherches ont été réalisées sur ce sujet pour pouvoir déterminer le potentiel du marché et l'impact que peut avoir ce genre de transport sur les habitudes de transport des usagers. Les recherches sont basées sur des enquêtes réalisées par les compagnies d'autopartage ou sur leurs bases de données. Ce mémoire se base sur des données relatives aux abonnés de Communauto et sur le recensement canadien de 2006 (statistique Canada, 2006). L'observation est d'abord effectuée sur le système d'autopartage. Ce système est divisé en divers objets dont les principaux sont : l'abonné, le véhicule, la station. Dans ce mémoire, un système de requêtes est créé avec le programme Ms Access. Ensuite, une analyse est effectuée sur les résultats obtenus. Aussi une étude pour savoir le profil des usagers actuels de l'autopartage à Montréal a été faite pour ensuite pouvoir déterminer le marché potentiel de ce  mode. La définition et l'historique de l'autopartage sont présentés suivis par quelques études et quelques résultats déjà obtenus par rapport au sujet traité.  Ensuite, pour commencer le projet, des données du système informatique de Communauto sont utilisées. Ces données représentent les transactions et les objets du système d'autopartage. La première étape consiste à comprendre et définir chaque champ de la base de données. Ensuite, plusieurs indicateurs sont construits et définis. Ces indicateurs sont constitués de statistiques. Ils donnent des résultats concrets sur les objets du système d'autopartage. Des requêtes sont créées pour chaque indicateur, ce qui permet une automatisation du concept à travers le système Ms Access créé. Les résultats de ces requêtes sont finalement analysés. L'analyse est divisée selon les objets du système d'autopartage. En effet, ces résultats sont similaires aux résultats qui existent dans la littérature avec un trait de personnalisation relatif à la compagnie Communauto.  Pour la suite du projet, il faut déterminer le potentiel de nouvelles stations à Montréal pour l'autopartage. Pour ce faire, il faut déterminer le profil des usagers de l'autopartage à Montréal. Une partie de ce profil peut déjà être tracée à partir des résultats statistiques des requêtes comme l'âge des usagers de l'autopartage. Ensuite, d'autres caractéristiques sont retrouvées à partir du recensement canadien réalisé en 2006, ils  regroupent des informations comme la profession ou l'état matrimonial, etc. Seulement les caractéristiques de la population montréalaise sont prises en considération sans tenir compte du reste du Canada. Les caractéristiques finales sont validées en utilisant des méthodes de segmentation relatives à la fouille de bases de données et en croisant les caractéristiques des usagers par secteur de recensement avec le pourcentage d'abonnés par secteur de recensement. Finalement, huit caractéristiques sont prises en compte. Une segmentation est effectuée à ce stade pour diviser les secteurs de recensement de Montréal en groupes homogènes selon ces huit caractéristiques. Les résultats obtenus sont onze groupes de secteurs de recensement. Par la suite, ces résultats sont croisés avec le pourcentage d'abonnés actuels de Communauto par secteurs de recensement et avec les stations actuelles de Communauto. Le résultat obtenu montre un potentiel d'ajout de station dans plusieurs arrondissements à Montréal tel que Saint-Laurent,  Longue-pointe, Villeray et Mont-Royal. Pour conclure, les données d'autopartage de Communauto et les données du recensement canadien de 2006 ont permis de réaliser cette analyse sans avoir recours à des enquêtes sur le sujet. Les objets du système d'autopartage de la compagnie montréalaise Communauto sont expliqués dans ce mémoire. Les requêtes réalisées peuvent toujours être modifiées pour combler les besoins de la compagnie en question. De plus, l'étude du potentiel de station identifié dans le cadre de ce projet peut être encore plus poussée en effectuant des analyses de voisinage et en considérant les traces GPS  des usagers d'autopartage à Montréal. Tout ceci aidera l'autopartage à évoluer et lui permettra de jouer un rôle important dans la part modale du transport dans la ville de Montréal;  ABSTRACT: Road networks are overloaded in developing and highly industrialized countries. Cities encourage and fund alternative modes of transport such as public transit to counter this problem. In addition, all initiatives that limit the use of a private vehicle are strongly encouraged. In this same order of ideas, there were many car-sharing initiatives in the world. Car-sharing is a system of car rental for a short time in which reservations can be made online or by phone. This mode of transportation began in Europe, and then, in 1994, the first North American initiative took place in Quebec. Today, the company “Communauto” is offering this service in Quebec, the company is based in Montreal. This thesis represents an analytical studies specific to this company. Since its inception, the car-sharing system is an interesting subject for the researchers. Indeed, several studies have been done on this subject in order to determine the market potential and impact that this kind of transport can have on travel behavior of users. Typically, searches are based on surveys conducted by car-sharing companies. This thesis is based on the given relative to the subscribers Communauto and the 2006 Canadian census. The observation is carried out first on the car-sharing system; the system is divided into objects, the main ones: the subscriber, the vehicle, the station. In this paper, a query system will be created with the program MS Access. Then, the results are analyzed followed by a study to determine the profile of current users of car sharing in Montreal and then to determine the potential market of the company in Montreal. The definition and history of car sharing are presented followed by some studies and some results already obtained about the subject. Then, to begin the project, the data computer system of Communauto is used. These data represent transactions and car-sharing system objects. The first step is to understand and define each field in the database. Then, several indicators are constructed and defined. These indicators are based on statistics; they produce concrete results on car-sharing system objects. Queries are created for each indicator in order to automate the concept through the system created by using Ms Access. The results of these queries are finally analyzed. The analysis is divided according to the car sharing system objects. Indeed, these results are similar to the results that exist in the literature with a dash of personalization for the company Communauto. For the remainder of the project, it was necessary to determine the potential of new parking space for the car-sharing in Montreal. To do this, we should determine the profile of car-sharing users in Montreal. A part of this profile can already be drawn from the statistical results of queries as the age of users of car sharing. Then, other characteristics, such as occupation and matrimonial status will be retrieved from the 2006 Canadian census (statistique Canada, 2006). Only the characteristics of Montreal's inhabitants are considered without those of the rest of Canada. The final characteristics are validated by using segmentation methods relative to data mining and by crossing the given user characteristics obtained by crossing data from users' characteristics by sector with the percentage of subscribers by census sectors. Finally, eight features are taken into account. Segmentation is performed at this stage to divide census sectors in Montreal to homogeneous groups according to these eight characteristics. The results obtained are eleven groups of census sectors. Subsequently, these results are crossed with the percentage of current subscribers to Communauto in a given sector with existing Communauto stations. The result shows a potential parking space in several districts in Montreal such as St-Laurent, Longue-Pointe, Villeray and Mont-Royal. In conclusion, the data base of Communauto's car-sharing system and the 2006 Canadian census have made this analysis possible without the need for inquiries on the subject. The methods used in this project have achieved the results. The Montréal's Communauto car-sharing system objects are explained in this thesis. These performed queries can always be changed to meet the needs of the company in question. In addition, the potential parking spaces identified in this project can be further studied by performing analyzes of neighborhoods and studying the GPS tracks of car-sharing users in Montreal. This will help car-sharing to evolve in Montreal so it can play a significant role in the city's transportation's modal share.


identifier: Weil Brenner, M. (2012). Conception préliminaire et optimisation multidisciplinaire d'avion à fuselage intégré  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'avion à fuselage intégré est un concept innovateur d'avion de transport qui offre des performances avantageuses dans le contexte actuel, où l'économie et l'environnement sont mis à l'avant-plan. Ce concept original nécessite de nouvelles méthodes de conception adaptées à ses particularités telles que le fort couplage de ses composantes. Toutefois, la littérature actuelle ne propose pas de solution adéquate pour la conception initiale. Ce projet propose une méthode complète de conception préliminaire permettant d'obtenir une première ébauche d'avion selon un cahier de charge. De plus, ce projet présente une procédure complète d'optimisation multidisciplinaire à basse fidélité ainsi qu'une procédure d'optimisation de problème aérodynamique utilisant des méthodes à plus haute fidélité. L'approche proposée pour l'élaboration de la méthode de conception préliminaire repose sur la simplicité et l'efficacité. La conception est effectuée manuellement, mais elle est guidée par une multitude d'outils dont plusieurs sont développés specifiquement pour ce type d'avion, tels que la paramétrisation géométrique; d'autres sont adaptes d'outils existants. Il s'agit d'outils basés sur des calculs empiriques, en plus d'un outil qui est basé sur une méthode numérique de basse fidélité. Cette méthode permet de générer un modèle d'avion ainsi que ses caractéristiques principales de performance, d'aérodynamisme, de stabilité et plus. Basé sur ces outils de conception, un premier processus d'optimisation est proposé permettant de raffiner le modèle initial. Une optimisation a été effectuée sur la forme en plan d'un avion à fuselage intégré de mission équivalant à celle du A340-600. Ses performances ont été grandement améliorées. Pour faire suite à cette première optimisation, la faisabilité d'une optimisation plus haute fidélité a été étudiée. Une procédure complète d'optimisation à l'aide d'outils CFD a été implémentée. Celle-ci est basée sur des calculs de type Euler et utilise le logiciel de CFD Fluent, le logiciel de maillage ICEM et le logiciel de modélisation 3D Catia. Cette procédure d'optimisation a permis d'ameliorer les caractéristiques de stabilité de l'avion. La méthode de conception préliminaire a été verifiée à l'aide de comparaisons avec un BWB publié dans la littérature et avec des avions classiques. Les calculs CFD ont été, pour leur part, valides avec l'aile Onera M6.  ABSTRACT: The Blended Wing Body aircraft is an innovative concept of transport aircraft which offers an advantageous performance in the present trend of cost reduction and environmental protection. This original concept requires new design methods adapted to its specicity such as its strong coupling of components. Current literature does not offer a workable solution for the initial design. This project proposes a comprehensive method of preliminary design to obtain a first draft of an aircraft according to specifications. In addition, this project presents a comprehensive procedure for a low delity multidisciplinary optimization and a procedure for airfoil optimization using CFD. The proposed approach for developing the preliminary design method is based on simplicity and effciency. The design is done manually, but it is guided by a multitude of tools, several of which are developed specifically for this type of aircraft such as the geometric parameterization; others are adapted from existing tools. These tools are based on empirical calculations, and one is based on a numerical method of low fidelity. This design method allows to generate an aircraft model and to obtain its performance, aerodynamics, stability characteristics. Based on these design tools, a first optimization process is proposed to refine the initial model. Optimization was performed on the planform of a Blended Wing Body with a mission equivalent to that of the A340-600. Its performances have been greatly improved. Following this first optimization, the feasibility of a higher delity optimization has been studied. A complete optimization procedure using CFD tools has been implemented. This is based on calculations of Euler type and uses the CFD software Fluent, meshing software ICEM and 3D modeling software Catia. This optimization procedure has improved the stability characteristics of the aircraft. The preliminary design method was verified using comparisons with a BWB published in the literature as well as classic aircrafts. As to the CFD calculations, they were validated with ONERA M6 wing.


identifier: Olivry, F. (2012). Exploration d'une méthode d'évaluation de la vulnérabilité des systèmes essentiels d'une région face aux extrêmes météorologiques dans un contexte de changements climatiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis la fin du XXe siècle, les conséquences des changements climatiques ont de plus en plus d'impact sur nos sociétés modernes, ainsi que sur les systèmes essentiels – transport, électricité, télécommunications, eau potable – présents sur leurs territoires. Montée du niveau des océans, réchauffement global des températures et multiplication des phénomènes climatiques extrêmes sont autant d'exemples de menaces qui pèsent sur les communautés humaines et qui font de l'étude de leur vulnérabilité un enjeu majeur du XXIe siècle. L'objectif des travaux du présent mémoire est d'explorer, sur le principe des systèmes experts, une méthodologie d'évaluation de la vulnérabilité capable de faire appel à la fois aux connaissances des experts en changements climatiques et à celles des spécialistes en systèmes essentiels. Cette méthodologie permet d'intégrer et combiner plusieurs caractéristiques relatives aux équipements et infrastructures de ces systèmes, à la géographie de la région à l'étude mais aussi aux aléas climatiques à court et long terme présents sur le territoire. Cette évaluation de la vulnérabilité s'appuie sur une notion de sensibilité qui consiste en une caractérisation du degré d'exposition de l'équipement à différents facteurs climatiques, en fonction de paramètres aggravants reliés à la géographie de la région. Une notion de criticité des équipements des systèmes experts est aussi considérée. Elle est évaluée selon l'importance de l'équipement au sein du réseau mais aussi sur d'autres paramètres propres à son implantation sur le territoire. Enfin, une cartographie du profil de vulnérabilité de la région aux différents facteurs climatiques est réalisée à partir de ces évaluations. La méthodologie a ainsi été appliquée sur un territoire fictif afin de dresser des exemples des profils de vulnérabilité aux impacts des changements climatiques à l'échelle d'une région, donnant ainsi aux décideurs un moyen pour identifier les éventuels points faibles afin de prioriser les actions à entreprendre, notamment par l'intermédiaire des cartes de vulnérabilité.Des exemples d'analyses spécifiques pour aider les décideurs à prévoir les effets directs de mesures d'adaptation (comme la mise en place de plans d'entretiens), ou encore à anticiper l'évolution de la vulnérabilité avec le vieillissement de l'équipement ou des modifications dans le temps de conditions climatiques, sont également montrés.  ABSTRACT: Since the end of the 20th century, the consequences of climate changes have been having more and more impact on today's societies and on the critical systems – transportation, electrical power, telecommunications, drinking water – that belongs to their area. The rise of the level of the oceans, the global warming and the increase of the number of extreme climatic events can be seen as examples of threats jeopardizing human communities and making the evaluation of their vulnerability one of the biggest stakes of this 21st century. The main goal of this thesis is to explore an expert system-based method for the evaluation of vulnerability which should be able to combine the knowledge of both experts on climate changes and on critical systems. This methodology can integrate and combine several characteristics of the facilities and the infrastructures belonging to these systems, of the regional geography, and also of the various unknown local climatic conditions which can be short or long-term. This assessment of vulnerability is based on a notion of sensibility, which consists in a characterization of the way a facility can be exposed to several climatic factors. This degree of exposition depends on aggravating parameters linked to the geography of the area. Then, a notion of the criticality of the critical systems facilities is also taken into account. It can be assessed according to the importance of the facility within its network and to other parameters peculiar to its setting up in the area. Finally a mapping of the vulnerability profile to the several climatic factors of the area can be carried out from these assessments. The methodology has been applied on a fictitious area in order to generate examples of vulnerability profiles to region-scaled impacts of climate changes, thus giving the decision-makers a way to identify potential weak points and to prioritize the actions to undertake, particularly through the vulnerability maps. Other examples of specific analyses helping decision-makers to foresee the direct effects of adaptation measures (as the setting-up of maintenance plans), or to anticipate the evolution of vulnerability along with the ageing of the facility and the alterations of the climate conditions over time will be showed.


identifier: Baloukas, B. (2012). Thin Film-Based Optically Variable Security Devices : From Passive to Active  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La contrefaçon coûte des milliards de dollars à l'économie mondiale chaque année. Mis à part ces pertes financières, la contrefaçon constitue également une grande menace pour la sécurité du public, entre autre à travers l'existence de faux passeports (terrorisme), de produits pharmaceutiques d'origines incertaines (risques pour la santé) et même de pièces d'avion contrefaites (fiabilité). Les dispositifs de sécurité optiques jouent ainsi un rôle crucial dans la lutte contre la contrefaçon. Les dispositifs optiques tels que ceux basés sur l'interférence de la lumière, introduits dans les années 1980, ont depuis longtemps démontré leur efficacité ; efficacité qui est le résultat de la facilité avec laquelle peut être observé leur changement de couleur angulaire ainsi que le coût relativement élevé de l'´equipement nécessaire à leur production. Malheureusement, de nos jours, en raison de l'apparition de produits de consommation iridescents, tel le papier d'emballage à base de polymères coextrudés, les dispositifs basés sur l'interférence devront être mis à jour. Le but de la présente thèse est donc de démontrer que, grâce à l'utilisation du métaméerisme et de matériaux électrochromiques, de nouveaux types de dispositifs de sécurité actifs présentant des caractéristiques intéressantes peuvent être créés ; en effet, la plupart des dispositifs actuels sont de nature passive. Il est également important d'ajouter que, bien que ces dispositifs soient plus complexes à fabriquer et donc difficiles à contrefaire, ceux-ci restent simples à authentifier. Je d´emontre tout d'abord, que l'ajout du métamérisme dans la conception de filtres interférentiels permet de générer des dispositifs possédant de nouvelles fonctionnalités. Plusieurs structures diff´erentes, qui peuvent être utilisées soit en transmission ou en réflexion, sont ainsi conçues, fabriquées, et évaluées. La première structure qui est présentée est basée sur la combinaison de deux filtres interférentiels métamériques. Possédant des spectres de transmission très différents, ces deux filtres possèdent également différents parcours colorimétriques en fonction de l'angle d'observation, ce qui, par conséquent, rend possible la création d'un effet d'image cachée. En dépit de leurs propriétés intéressantes, ces dispositifs métamériques sont révélés comme étant très sensibles aux changements d'illuminants et d'observateurs; i.e. que le pairage de couleur est perdu dans la plupart des conditions d'observation. Ces problèmes sont résolus par l'implémentation d'une structure plus simple bas´ee sur la juxtaposition d'un filtre interférentiel et d'un matériau coloré non-iridescent. Dans ce cas particulier, en concevant un filtre reproduisant fidèlement le spectre du matériau non-iridescent, la sensibilité du dispositif aux changements de sources de lumière et d'observateurs est minimisée. Puisque seulement le filtre interférentiel change de couleur en fonction de l'angle d'observation, un effet d'image cachée est encore une fois possible. La présence d'un effet d'image cachée ainsi  ABSTRACT: Counterfeiting costs the world economy billions of dollars every year. Aside from financial losses, counterfeiting also poses a great threat to the public's safety, for example through the existence of counterfeit passports (terrorism), pharmaceutical products (health hazards) and even airplane parts (safety issues). Optical security devices (OSDs) have therefore played a critical role in the fight against counterfeiting. OSDs, such as those based on interference introduced in the 1980s, have clearly proven their efficiency; this high efficiency being the result of the facility with which the color shift can be observed as a function of the observation angle as well as the relatively high cost of the production equipment. On the other hand, nowadays, due to the appearance of iridescent consumer products such as coextruded polymer “wrapping paper”, interference-based devices will need to be “upgraded”. It is the aim of the present thesis to show that through the use of metamerism and electrochromic materials, new types of active security devices with interesting features can be created; indeed, most present-day devices are passive in nature. It is also important to add, that although these devices are more complex to fabricate and therefore difficult to counterfeit, they do remain simple to authenticate for the man on the street. I first demonstrate that the addition of metamerism in the design of interference filters can result in innovative features. Different structures which can be used in transmission and/or in reflection are designed, fabricated, and evaluated. The first structures which are presented here are based on a combination of two different metameric interference filters. Possessing widely different transmission spectra, these filters also offer different angular color shifts and, as a result, offer an opportunity of creating hidden image effects. Despite their interesting properties, such metameric devices are shown to be highly illuminant and observer sensitive; that is the color match is lost under most observation conditions. These issues are solved by a simpler structure based on the juxtaposition of an interference filter and a non-iridescent colored material. In this case, by closely matching the transmission or reflection spectra of both elements, the sensitivity of the device to changes in light sources and observers is minimized. Since only the interference filter will change color as a function of the observation angle, a hidden image effect is yet again possible. The presence of the hidden image, as well as of the non-iridescent material, which serves as a color reference, facilitates the user's authentication process as well as automated detection by using a laser at a specific angle. Throughout this study, I present the design approach, analyze the filters' sensitivity to deposition errors, and evaluate the performance of prototype devices prepared by dual ion beam sputtering.


identifier: Maillard, A. (2012). Étude ad initio des propriétés électroniques et optiques d'un système donneur-accepteur organique utilisé dans les cellules photovoltaïques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La demande croissante en énergie, soutenue par l'industrialisation des pays en développement et par la croissance démographique, ainsi que la sensibilisation de la population au développement durable ont encouragé la recherche de nouvelles sources d'énergie propre et renouvelable. Dans ce contexte, l'exploitation de l'énergie solaire à l'aide de cellules photovoltaïques pour produire de l'électricité est particulièrement intéressante, puisque cette source d'énergie est très peu employée par rapport à son plein potentiel. La production d'électricité à grande échelle à l'aide de la génération actuelle de cellules photovoltaïques, soit les cellules à base de silicium, est toutefois freinée par le coût de fabrication des dispositifs. Une nouvelle génération de cellules photovoltaïques, qui comprend les cellules photovoltaïques organiques à base de polymère, est donc en cours de développement afin de réeduire radicalement les coûts de fabrication. L'usage de polymères semiconducteurs conjugués dans ces dispositifs ouvre la voie à l'utilisation des procédés de fabrication rapide de grandes surfaces et à faibles coûts qui sont associés aux polymères. Cependant, l'efficacité de conversion d'énergie ainsi que la durée de vie des cellules photovoltaïques organiques sont présentement trop faibles pour que ces dispositifs soient rentables. Une compréhension accrue du processus photovoltaïque organique est donc nécessaire afin d'améliorer, dans un premier temps, l'efficacité de conversion d'énergie des dispositifs. Le fonctionnement des cellules photovoltaïques organiques est basé sur le transfert de charges entre un polymère donneur d'électrons et une molécule accepteur d'électrons qui permet la dissociation des excitons photogénérés. De plus, l'usage d'une région active formée d'une hétérojonction volumique entre le donneur et l'accepteur assure la dissociation de la majorité des excitons. De nombreuses études expérimentales ont démontré que l'efficacité de conversion d'énergie de ces dispositifs, qui est proportionnelle au produit du courant en court-circuit Isc et du potentiel en circuit ouvert Voc, est fortement régie par la microstructure des hétérojonctions volumiques, c'est-à-dire par l'ordre local des deux phases et par l'organisation des interfaces donneur-accepteur. Malgre que ces études aient permis d'améliorer l'efficacité des cellules photovoltaïques organiques,les liens rattachant les propriétés électroniques et optiques aux propriétés microstructurales des hétérojonctions volumiques ne sont pas encore bien établis, ce qui rend difficile l'ingénierie des cellules photovoltaïques organiques. L'objectif du projet de recherche est d'étudier théoriquement les propriétés électroniques et optiques de systèmes donneur-accepteur organiques formés de poly(3-hexylthiophène) régiorégulier (rrP3HT) et de C60, deux matériaux archétypes utilisés dans les cellules photovoltaïques organiques. Cette étude théorique, en régissant directement la microstructure et les interfaces donneur-accepteur des systèmes, permet d'explorer directement l'influence de ces paramètres sur les niveaux électroniques et les transitions optiques des hétérojonctions volumiques organiques. Les propriétés  ABSTRACT: The search for new sources of clean and renewable energy has recently been encouraged by the growing energy demand caused by the industrialization of developing countries and by population growth. In this context, the generation of electricity through the exploitation of solar energy with photovoltaic cells is particularly interesting, since this energy source is largely unused compared to its full potential. Nevertheless, large scale electricity generation with the current design of photovoltaic cells based on silicon is hindered by the large manufacturing cost of these devices. A new generation of photovoltaic cells, which includes organic photovoltaic cells that use semiconducting polymers, is under intense development in order to significantly reduce the manufacturing costs. The replacement of conventional materials with conjugated polymers in photovoltaic cells opens the possibility of using large scale manufacturing processes to produce large-area devices at low cost. However, the power conversion efficiency and the lifetime of organic photovoltaic cells are currently too low for these devices to be cost effective. A better understanding of the organic photovoltaic process is therefore necessary to improve the power conversion efficiency of these devices. The operating principle of photovoltaic cells requires the charge transfer between a polymer acting as an electron donor and a molecule acting as an electron acceptor to enable the dissociation of photogenerated excitons into free charge carriers. Furthermore, to ensure that the majority of the photogenerated excitons dissociates, the active region of an organic photovoltaic cell is typically formed by a bulk heterojunction between the donor and the acceptor. Many experimental studies have shown that the power conversion efficiency of these devices, which is proportional to the product of their short-circuit current Isc with their open circuit potential Voc, is strongly governed by the microstructure of the bulk heterojunction defined as the local order of the two phases and the organization of the donor-acceptor interfaces. Even though these studies have helped to increase the efficiency of organic photovoltaic cells, the relations linking the microstructure of the bulk heterojonction to their electronic and optical properties are still to be established. The objective of the research project is to computationally study the electronic and optical properties of organic bulk heterojunctions composed of regioregular poly(3-hexylthiophene) (rrP3HT)and C60, two materials typically used in organic photovoltaic cells. In this study, the microstructure of the donor-acceptor systems can be directly controlled, which facilitates the systematic study of the influence of this parameter on the electronic and optical properties of the organic bulk heterojunctions. The density functional theory (DFT) is used to study the ground state geometric and electronic properties of multiple bulk heterojunction systems, while the time dependent density functional theory (TDDFT) is used to study the optical properties of these systems. The SIESTA software package is used to study periodic systems representing perfectly crystalline materials.


identifier: Behrang, A. (2012). Phonon Transport Analysis of Thermal Conductivity in Particulate Nanocomposites  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les modèles théoriques ont été présentés pour la prédiction de la conductivité thermique de composites constitués de particules sphériques. Parmi ces modèles, seuls quelques-uns d'entre eux sont en mesure de prédire correctement la conductivité thermique de nanocomposites. La difficulté à modéliser correctement cette propriété physique origine de la différence entre la conductivité de la matrice et des particules à l'état pur par rapport à leurs valeurs respectives dans le composite.  En conséquence, la résistance thermique à l'interface entre la matrice et les particules devient une variable importante de la conductivité thermique des matériaux nanocomposites. Dans ce projet, l'analyse  de l'échange des phonons thermiques dans les milieux hétérogènes est réalisée et une formule générale de la conductivité thermique effective de nanocomposites est présentée. Dans la première étape du travail, le transport de phonons à l'interface entre la matrice et des nanoparticules est étudié. Cette investigation vise à présenter la résistance thermique sous une nouvelle forme. Les deux types de transport de phonons sur l'interface particule-matrice, soient diffus et spéculaire, sont pris en compte dans le calcul de la conductivité thermique effective pour les nanocomposites particulaires. Dans un deuxième temps, le modèle proposé est évalué en regard  de résultats numériques et expérimentaux disponibles dans la littérature. Cette évaluation tend à prouver que le modèle proposé est capable de prédire la conductivité thermique effective pour un large éventail de fractions volumiques et de tailles de particules.  ABSTRACT: Theoretical models have been presented for predicting the thermal conductivity of composites consisting of spherical particles. Among these models, only a few of them are able to predict the thermal conductivity of nanocomposites. This is because the matrix and particle thermal conductivities in nanocomposites are not equal to their bulk values due to increased interface scattering. The boundary scattering becomes important when the characteristic length of the media is smaller than the bulk mean free path of phonons. The thermal boundary resistance at the interface between matrix and suspended particles is affected on the thermal conductivity of nanocomposites. In this work, the phonon viewpoint of heat transport in heterogeneous media is investigated and a general formula for the effective thermal conductivity of particulate nanocomposites is presented. In the first step of this project, the phonon scattering at the interface between matrix and nanoparticles is investigated. This study aims to present the thermal boundary resistance in a new form. Both diffuse and specular types of scattering of phonons on the particle-matrix interface are taken into account in the derivation of the effective thermal conductivity for the particulate nanocomposites. In the next step, the proposed model is evaluated with numerical and experimental results available in literature. This evaluation is done to prove that the proposed model is able to predict the effective thermal conductivity in a wide