identifier: Poliquin, P. O. (2012). Modélisation métabolique pour l'étude des voies de régulation énergétiques : un enjeu dans la maladie de Parkinson  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La motivation de ce mémoire est l'étude des processus de régulation énergétique impliqués dans la maladie de Parkinson. Profitant du savoir-faire de développement d'outils pour l'analyse du métabolisme cellulaire, un modèle d'équations différentielles pour simulations dynamiques fut premièrement établi grâce à la littérature sur les voies et les cinétiques des flux métaboliques. Une plateforme d'expérience utilisant une source d'éléments biologiques primaires fut choisie puisqu'elle offre des avantages importants tels que son risque faible de biais biologique. Suivant la création et l'adaptation spécifiques de protocoles visant l'analyse de concentrations de molécules biologiquement actives, des expériences sur des extraits de tranches de cerveau de souris modifiées génétiquement ou affectées temporairement d'un découplage mitochondrial, furent réalisées entres autres grâce à la collaboration de professeur L-É. Trudeau de l'Université de Montréal, du département de pharmacologie. Grâce aux analyses métabolomiques par chromatographie en phase liquide suivie de spectroscopie de masse et la mesure de concentrations de molécules de l'environnement extracellulaire, il fut possible d'adapter les voies métaboliques du modèle et de calibrer ce dernier en ajustant ses paramètres, afin de reproduire les comportements dynamiques du tissu cérébral. Grâce à des simulations, il fut possible de décrire entre autre des flux réactionnels non mesurables, provenant de réponses cellulaires des tranches de cerveau d'individus ayant subi l'extinction d'un gène impliqué dans la maladie de Parkinson (PARK 2) ou d'individus sains à qui l'ajout d'un ionophore mitochondrial (CCCP) a été prodigué. Ainsi, par analyse comparative face à l'organisme inaffecté, il fut possible d'énoncer qu'une exposition à un agent de stress environnemental peut causer une diminution marquée et soutenue des navettes énergétiques assurant le bon fonctionnement de la cellule. De plus, il fut possible de démontrer que dans le test de stress de type génétique, les processus de régulation métabolique sont suffisamment robustes pour empêcher des changements au niveau des métabolites. En effet, grâce aux simulations, il fut possible de constater que des mécanismes d'adaptation des voies métaboliques et des flux enzymatiques existent. L'accomplissement final des travaux est leur soumission pour publication dans un journal scientifique avec comité de révision : Public Library of Science, Computationnal Biology.  ABSTRACT: This project's main objective is to study the implications of energy regulated pathways in Parkinson's Disease. As a first step, this goal is achieved by the development of a literature based ODE model as a cellular metabolism analysis tool. Development of various experimental platforms revealed that extraction, perturbation and analysis of fresh brain tissue slices had less measurement bias. After new protocol development or adaptation, metabolomic extracts and analysis resulted in measurements of PD related gene knock-out and mitochondrial decoupling pulse stress. This was performed on a mice model provided through collaboration with Professor Trudeau of the Université de Montréal, department of pharmacology. These UPLCMS and extracellular data were used to adapt and calibrate the original ODE model and curve fit the observed dynamics. By comparing the different variations of the measurement corroborated model, it was possible to describe the variations of unmeasured cellular process involved in the mitochondrial CCCPionophore and PARK-2 gene knock-out stresses. While a strong effect is observed following the CCCP stress as the energetic level decreases drastically, no effect is observed for the genetic PD model from a metabolite concentration point of view. In fact, it is only by simulations' flux analysis that one can realise that this is possible as the cell performed naturally a rebalancing of fluxes, suggesting a robust energy regulation. As a final achievement, this work was submitted for publication in a peer reviewed scientific journal: Public Library of Science, Computational Biology.


identifier: Maghoul, P. (2012). Contribution to the Study of the Direct and Inverse Problem in Electromyography (EMG)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: On dispose maintenant de prothèses myoélectriques du membre supérieur pouvant produire plusieurs mouvements utilisés dans les activités de la vie quotidienne. Pour les activer, la présence de 6 compartiments anatomiques dans le biceps brachial pourrait être exploitée. Pour aider à vérifier si ces compartiments ont pu être activés  lors de contractions accomplies par des sujets normaux, l'utilisation d'un modèle direct et inverse pourrait être très utile. Pour initier le développement de ces modèles, des données provenant d'expériences où, un contenant cylindrique, encerclé de 16 électrodes et rempli d'une solution saline a été utilisé. Dsns ce bassin, jusqu'à 3 dipôles avaient été introduits à des positions connues. Pour poursuivre la validation du  modèle inverse, on a simulé des signaux associés à 3 regroupements de 5000 fibres musculaires placées à des positions connues à l'intérieur d'un bassin cylindrique virtuel. Finalement, les signaux EMG recueillis au-dessus du biceps de sujets normaux lors d'expériences visant à activer individuellement ou en groupe les 6 compartiments du biceps ont été analysés. On a identifié 3 zones d'activité: une dans le chef court et 2 dans le chef long du muscle. Dans le chef court, l'intensité du dipôle a été similaire dans les 6 conditions testées tandis que sa position était variable. Dans le chef long, la position des deux zones actives est moins variable mais leur intensité très variable. Alors que les 3 zones d'activité peuvent être considérées comme étant situées dans divers compartiments du biceps, on a trouvé que leur position lorsque reportée sur une illustration générique d'une coupe transversale de l'avant-bras, l'une des zones était localisée au niveau de la couche de graisse et celle de la peau. Il semble donc possible d'identifier dans le biceps des zones d'activité associables à ses compartiments. Toutefois étant donné que certaines de ces zones pourraient se situer en dehors du muscle, la présence des couches de gras et de la peau doivent être introduites pour un modèle plus réaliste du bras lors d'études portant sur le problème direct et inverse en EMG.  ABSTRACT: In the context of improving the control of upper arm myoelectric prostheses capable of producing various useful movements for daily life activities, the presence of up to 6 anatomical compartments within the biceps brachii can be exploited to increase the number of potential control sites. To help identify where activity could occurs within the biceps during different contractions accomplished by normal subjects, a direct and an inverse model could be very useful. To develop such models, we started with the reproduction of previously collected data obtained with 16 equally spaced electrodes circling a tank filled with a saline solution. Up to 3 dipoles were placed at known positions within the tank. To further test the inverse model, simulated data obtained from the activity of 3 groups of 5000 closely packed single fibers placed at known positions within a virtual tank similar to the real one were analyzed. Finally, EMG signals collected over the biceps brachii during experiments aimed at activating individually or in groups the 6 compartments of the biceps where analyzed in 6 conditions. Three zones of activity were found: one in the short head of the muscle and 2 in its long head. In the short head, the dipole intensity was similar in the 6 conditions tested while its position was variable. In the long head, the position of the two active zones was less variable but their intensity was quite variable. While those 3 zones of activity could be considered to be located in 3 of the 6 muscle's compartments, when their position was overlaid on a generic cross-section image of the upper arm, one of the zones was outside the muscle tissue.  It thus appears possible within the biceps, to identify active zones associable to the muscle's compartments. However, considering that some of the detected positions could be over the fat and skin layers, those layers should be introduced for a more realistic upper arm model when studying the EMG direct and inverse problem.


identifier: Fan, Y. (2012). Chlorination of Toxic Cyanobacterial Cells and their Associated Toxins  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les cyanobactéries (algues bleu-verts), sont des microorganismes photosynthétiques aérobies qui sont présentes dans les milieux aquatiques situés partout sur le globe. L'eutrophisation croissante des eaux et le changement climatique tendent à favoriser la prolifération de cyanobactéries et la formation des fleurs d'eau (blooms). Les cyanobactéries sont généralement considérées comme des sources de goût et d'odeur dans les systèmes d'approvisionnement en eau potable. En particulier, les cyanotoxines produites par certaines espèces de cyanobactéries peuvent nuire à la santé humaine et animale. Par conséquent, les cyanobactéries suscitent une grande inquiétude dans le monde entier. La pré-chloration est utilisée dans certaines usines de traitement des eaux en Amérique du Nord. La chloration directe de cyanobactéries peut permettre d'enlever des cellules et des toxines. Toutefois, elle peut aussi causer des problèmes de qualité de l'eau, telles que la lyse cellulaire, le relargage des toxines et du COD (Carbone organique dissous), l'augmentation de la demande en chlore et la formation des sous-produits de désinfection (SPD). La présente étude vise à examiner les effets de la pré-chloration des cyanobactéries (Microcystis aeruginosa cultivée et fleurs d'eau naturels) et leur toxines associées. Les objectifs spécifiques de ce projet sont de : (1) déterminer et modéliser la lyse cellulaire de M. aeruginosa, le relargage des toxines et du COD et l'oxydation des MCs (Microcystines) pendant la chloration de l'eau ultra-pure et de l'eau naturelle dopée avec des cultures en laboratoire; (2) estimer la demande en chlore pour chaque cellule de M. aeruginosa lorsque la lyse cellulaire survient suite à la chloration; (3) étudier la formation de SPD associés avec la chloration des composés provenant de la cellule de M. aeruginosa; (4) évaluer l'efficacité de la chloration des cellules des cyanobactéries toxiques dans des échantillons naturels de fleurs d'eau toxiques.  ABSTRACT: Cyanobacteria (Blue-green algae) are photosynthetic micro-organisms commonly existing in most aquatic systems. Because of climate change and increasing eutrophication of waters, the occurrence of algae blooms is becoming more frequent worldwide. Cyanobacteria are widely considered as sources of taste and odour in drinking water supplies. Cyanotoxins produced by a number of cyanobacteria species are a hazard for the health of human and animals. Therefore, cyanobacteria are a global concern. Pre-chlorination is still practiced in many North American water treatment plants. Direct chlorination of cyanobacteria can increase the removal of their cells and toxins. However, it may also cause some water quality problems, such as cell lysis, which leads to toxin and DOC (Dissolved organic carbon) release, an increase in chlorine demand and disinfection by-products formation. This study is to examine the effects of pre-chlorination on cyanobacteria (cultured Microcystis aeruginosa and natural bloom) and their associated toxins. The major objectives of this work are: (1) to determine and to model M. aeruginosa cell lysis, toxin and DOC release, and MCs oxidation during chlorination of ultrapure and natural waters spiked with laboratory cultures; (2) to estimate the M. aeruginosa cellular chlorine demand when cell lysis occurs due to chlorination; (3) to study the DBP formation associated with the chlorination of M. aeruginosa cell-bound materials; (4) to evaluate the efficiency of chlorination of toxic cyanobacterial cells in natural bloom samples.


identifier: Mathieu, C. (2012). Étude de l'angiogenèse et de la distribution des cellules souches mésenchymateuses dans des défauts ostéochondraux chez le lapin  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les défis majeurs de la recherche orthopédique actuelle sont la restauration, le maintien et l'amélioration des tissus du système musculo-squelettique, afin de remédier aux déficiences causées par des maladies, telles que l'arthrite rhumatoïde et l'arthrose. En 2011, plus de 16 % de la population canadienne recensée souffrait de ces maladies, ayant donc à endurer des douleurs articulaires et une mobilité réduite des articulations affectées.  À cause de l'absence de vaisseaux sanguins dans le cartilage et la faible densité cellulaire, le processus de réparation tissulaire n'est amorcé que difficilement au niveau de lésions du cartilage. Diverses techniques chirurgicales ont donc été développées pour stimuler la réparation ou la régénération du cartilage, incluant par exemple les transplantations de chondrocytes autologues et les techniques de stimulation de la moelle osseuse. Ces dernières sont parmi les plus utilisées et la stimulation de la moelle osseuse définit des techniques chirurgicales basées sur la microfracture ou la microperforation du cartilage et de l'os sous-jacent. Dans ce cas, la réparation est possible grâce à la création de canaux, qui permet la formation d'un caillot sanguin et l'infiltration des cellules souches mésenchymateuses, à partir des dommages causés au système vasculaire de l'os sous-chondral. Cependant, de nombreuses études ont démontré que le cartilage résultant était un mélange de cartilage hyalin et de cartilage fibreux, dont les propriétés mécaniques sont insuffisantes pour restaurer la mobilité initiale de l'articulation.  Comme montrée dans de précédents travaux entrepris au laboratoire, la combinaison des techniques de microperforation avec un implant composé de chitosan, de glycérolphosphate et de sang autologue permet d'améliorer la qualité du cartilage réparé. Ceci est possible grâce au recrutement de plusieurs populations cellulaire au site de la lésion, comme les neutrophiles et les macrophages, et à travers divers mécanismes biologiques, incluant l'angiogenèse et la chondrogenèse.  Il a été démontré que la solidification in situ de l'implant pouvait être accélérée par l'ajout de facteurs de coagulation. Les facteurs testés sont la thrombine (IIa), le facteur VIIa recombiné humain (rhFVIIa) et le facteur tissulaire (TF). Ils ont été ajoutés à l'implant chitosan-GP/sang, afin d'accélérer la solidification in situ au cours de l'application clinique , qui pourrait rendre possible la livraison de l'implant par arthroscopie.  Dans un modèle lapin de microperforation, l'implant chitosan-GP/sang solidifié in situ par la thrombine permet d'améliorer la qualité du cartilage réparé vis-avis la thrombine seule (Marchand et al., 2012). Cependant, l'effet précis des facteurs de coagulation sur l'angiogenèse et les mécanismes de réparation tissulaire doivent encore être étudiés. Dans cette étude, les deux hypothèses suivantes sont posées :  - L'ajout de facteurs de coagulation, notamment la thrombine (IIa), le facteur VIIa recombiné humain (rhFVIIa) et le facteur tissulaire (TF) + rhFVIIa, à la solution de chitosan, de glycérolphosphate et de sang autologue, engendre plus d'angiogenèse dans l'os sous-chondral des microperforations en réparation par rapport à la microperforation seule, à 3 semaines postchirurgie dans un modèle lapin de la stimulation de la moelle.  - L'utilisation de l'implant chitosan-GP/sang, avec les techniques de stimulation de la moelle osseuse, attire un plus grand nombre de cellules souches mésenchymateuses (MSC) aux lésions microperforées, comparativement à l'utilisation des techniques de stimulation de la moelle osseuse seules. Pour répondre à ces hypothèses, les objectifs de cette étude sont les suivants :  - Évaluer l'effet de l'implant chitosan-GP/sang coagulé dans la lésion avec la thrombine (IIa), du facteur VIIa recombiné humain (rhFVIIa) et du facteur tissulaire (TF) + rhFVIIa sur la réparation du cartilage induite par la microperforation, par rapport à la microperforation seule, à partir de la quantification stéréographique des vaisseaux sanguins et des données histomorphométriques de la matrice extracellulaire du tissu de granulation;  - Proposer des anticorps qui se lient aux cellules souches humaines et qui peuvent être utilisés en immunohistochimie pour détecter des MSC dans les tissus de lapin NZW et dans des coupes osteochondrales;  - Localiser les MSC dans les lésions microperforées dans le cartilage, pour une meilleure compréhension du processus de réparation du cartilage.  Dans la première partie de ce projet de mémoire, l'effet de l'implant chitosan-GP/sang avec ou sans un facteur de coagulation a été étudié à travers une méthode stéréographique. Cette dernière permet de récolter des données quantitatives reproductibles, qui peuvent être comparées aux données d'études passées et d'études futures. L'augmentation de la densité de surface et de volume des vaisseaux sanguins pour des implants avec IIa ou rhFVIIa ajouté montrent que ces facteurs de coagulation peuvent stimuler plus d'angiogenèse dans l'os sous-chondral au cours de la réparation induite par microperforation. Il a également été démontré que l'implant chitosan-GP/sang retarde le dépôt des fibres de collagènes (de type I et de type II) dans la matrice extracellulaire.  Dans la deuxième partie de ce mémoire, les anticorps contre la β-catenin, la nestin et l'actine αSMA ont été utilisés pour des tests d'immunohistochimie, afin de détecter les cellules souches mésenchymateuses dans les tissus d'études animales in vivo. Malgré l'absence de signal positif avec les anticorps anti-β-catenin et anti-nestin, l'actine αSMA a été détectée dans divers tissus du lapin NZW, incluant les tissus fœtaux, les tissus adultes du foie, du poumon, de la peau, du placenta, de la trochlée intacte ou en réparation. Les résultats obtenus dans les tissus de trochlée en réparation montrent que les cellules exprimant l'actine αSMA sont localisées sur les bords de la microperforation, ainsi qu'à la surface du tissu de granulation. Bien que des tests supplémentaires soient nécessaires pour mieux comprendre les mécanismes impliquant les MSC, les colorations IHC effectuées indiquent que les cellules αSMA-positives sont des « bone lining cells » et qu'elles sont impliquées dans le processus de remodelage et réparation de l'os, et dans les « pre-chondrogenic foci » survenant à l'intersection du tissu de granulation et de l'os nouvellement formé. Les pre-chondrogenic foci, qui sont formés à la surface des plaques sous-chondrales, sont les structures précoces du cartilage articulaire régénéré. Dans son ensemble, cette étude a permis des informations supplémentaires sur l'implication de l'angiogenèse et des cellules souches mésenchymateuses lors de la réparation du cartilage et de l'os sous-chondral. Elle bénéficie aux progrès de la recherche dans ce domaine en démontrant que l'angiogenèse et les MSC sont des éléments détectable et quantifiable dans le tissu de granulation des lésions microperforées du cartilage, avant l'émergence des « chondrogenic foci ». Des études futures devraient être en mesure d'optimiser l'implant chitosan-GP/sang par la sélection d'additifs, comme les facteurs de coagulation, qui peuvent améliorer l'efficacité et la durabilité de la réparation du cartilage. L'un des buts majeurs est de pouvoir engendrer la formation d'un cartilage « purement » hyalin à travers la promotion de l'angiogenèse et du recrutement des MSC pour restituer le cartilage à son état sain initial.  ABSTRACT: The major challenges of current orthopedic research are the restitution, preservation and improvement of the musculoskeletal system, in treating degenerative diseases such as osteoarthritis and rheumatoid arthritis. In 2011, these diseases affected more than 16% of the population in Canada, leading patients to suffer articular pain and reduced mobility of the joint.  The absence of repair in focal lesions of articular cartilage can be explained by the avascular nature of the cartilage tissue and its low cellular density. Hence various surgical techniques were developed to trigger the repair of the cartilage and the subchondral bone, as for example autologous chondrocyte transplantation or bone marrow stimulation. The latter surgical technique uses microfracture or microdrilling in the cartilage and bone tissues and is one of the most commonly used. It creates access channels to the subchondral bone to allow the formation in situ of a blood clot and the migration of mesenchymal stem cells, through the rupture of subchondral vasculature. But studies have shown that the produced cartilage is a mixture of fibrous and hyaline cartilage, which cannot sustain the same loads as intact hyaline cartilage in the joint. Thus a chitosan-based implant was developed to induce more hyaline cartilage repair and ensure the residency of the otherwise fragile blood clot in the cartilage defect.  Previous work in our laboratory has shown that combining bone marrow stimulation techniques with a solution of chitosan, glycerol phosphate and autologous blood enhances the cartilage quality through mechanisms involving various cellular populations, such as neutrophils and macrophages, and different repair processes, such as angiogenesis and chondroinduction.  It was shown that the in situ solidification of the chitosan-GP/blood implant can be accelerated by the addition of the coagulation factors, such as thrombin (IIa), tissue factor (TF) and recombinant human Factor VIIa (rhFVIIa). These coagulation factors were added to the chitosan-based implant to accelerate in situ solidification of the implant for clinical application, which could potentially allow implant delivery by arthroscopic injection.  In a rabbit microdrill model, thrombin-solidified implant improved cartilage repair over thrombin-treatment alone. However, the precise effect of coagulation factors on angiogenesis and the repair process has yet to be elucidated. Thus, the purpose of this study was to test the following two hypotheses:  - The addition of coagulation factors, including thrombin (IIa), tissue factor (TF) and recombinant human Factor VIIa (rhFVIIa), to the chitosan-GP/blood implant enhances subchondral angiogenesis in repairing microdrilled defects, compared to microdrilling alone, at 3 weeks post-operative in a rabbit model of cartilage repair.  - The use of a chitosan-GP/blood implant with microdrilling attracts more mesenchymal stem cells to the microdrilled cartilage defect, in comparison to bone marrow stimulation techniques alone.  To test these hypotheses, the study's principal aims were:  - To evaluate the effect of the chitosan-GP/blood implant coagulated in the microdrilled lesion with coagulation factors, including thrombin (IIa), tissue factor (TF) + rhFVIIa and recombinant human Factor VIIa (rhFVIIa), on cartilage repair compared to microdrilling-alone, through blood vessel stereology and extracellular matrix histomorphometry data;  - To identify the antibodies that recognize human stem cell markers that can be used for immunohistochemistry in NZW rabbit tissues and osteochondral samples;  - To locate the MSC in the microdrilled defects and to better understand the cartilage repair process. In the first part of this study, the effect of the chitosan-GP/blood implant with or without added coagulation factor was investigated through a stereological method. It results in quantitative reproducible data, which allows comparison to data from previous and future studies. The observed increase in blood vessel surface and volume density for implant with either thrombin or recombinant factor rhFVIIa, indicates that these coagulation factors enhance subchondral angiogenesis in the chitosan-induced cartilage repair. It is also shown that the chitosan-GP/blood implant delays collagen (type I and type II) deposition in the extracellular matrix. In the second part of this study, antibodies for β-catenin, nestin and αSMA were used in immunohistochemistry tests in rabbit tissues in order to detect mesenchymal stem cells in tissues collected from in vivo studies. Although positive signals for β-catenin and nestin were not obtained, αSMA was detected in various tissues, including foetal tissue, adult lung, skin, liver, placenta, osteochondral repairing and intact tissue from NZW rabbit animal models. Results in repairing osteochondral tissue also demonstrated the presence of αSMA expressing cells at the edges of the microperforated subchondral bone defect and at the surface of the granulation tissue in NZW rabbit osteochondral sections. Further tests would be necessary to full understand the mechanisms implicating mesenchymal stem cells, but the IHC results do show that αSMA expressing cells are bone lining cells and that they are implicated in the bone remodelling and repair processes, and are present in “pre-chondrogenic foci” structures occurring at the interface between the granulation tissue and the newly formed bone. Chondrogenic foci that form along the repairing subchondral bone plate are the precursor structures that regenerate hyaline articular cartilage.  Altogether, this study allowed a better understanding of the implication of angiogenesis and mesenchymal stem cells in subchondral bone and cartilage repair. It benefits research in the field, as it shows that angiogenesis and mesenchymal stem cells are important process that can be located and quantified in the drilled defect granulation tissue, before the emergence of chondrogenic foci. Future studies should be able to determine which additive, such as coagulation factor, can enhance the chitosan-GP/blood implant efficiency and generation “pure” articular cartilage through the promotion of subchondral angiogenesis and mesenchymal stem cell recruitment in repairing drilled defects.


identifier: Lu, H. (2012). A Geometric Approach to Converting CAD Models to CAM Models: an Application on Aeronautical Structure Parts  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conversion d'un modèle de CAO en un modèle de FAO est la première étape de fabrication intégrée par ordinateur. Les principaux problèmes qui concernent la conversion sont les suivants: définir des volumes de matériau amovible géométriquement, vérifier les accessibilités aux volumes ainsi obtenus, associer les opérations d'usinage avec ces volumes individuellement, sélectionner les outils de coupe, mettre en séquençage les opérations d'usinage et assigner une machine pour exécuter le processus. La détermination des volumes individuels de matériel amovible est le premier problème de la conversion. Dans les dernières décennies, de nombreuses approches ont été développées avec d'énormes efforts, mais aucune étude à ce jour a examiné de manière exhaustive les approches pour générer des volumes de matériau amovible pour traiter des pièces complexes, telles que celles qu'on rencontre dans en aéronautique dans la partie structurelle. Dans la perspective de définir les volumes du matériau amovible, les méthodes existantes se limitent aux fonctions prismatiques. L'objectif principal de cette recherche était de développer des approches systématiques, pour générer automatiquement l'ensemble des volumes de matières amovibles selon les modèles 3D d'une pièce aéronautique structurelle. Il faut alors partir du brut (un morceau de matière première) et usiner toutes les surfaces requises. Grâce à l'outil mathématique disponible des opérations booléennes, il est possible de séparer des géométries volumiques très complexes en volumes plus petits relativement simples. La décomposition du volume delta présente des avantages dans la création des volumes amovibles. Dans cette recherche, les approches de décomposition de volume ont été développées dans le but que chaque volume de matériau puisse être usiné en une seule opération d'usinage. Des arêtes concaves impliquent éventuellement des opérations d'usinage différentes. La détection du bord concave est la première étape de la décomposition de volume intérieur. Dans cette étude, une approche mathématique a été développée afin de vérifier la concavité d'une arête dans la limite d'un modèle solide 3D et une approche de détection des bords concaves est proposée. Générer des faces de séparation est une étape clé pour définir un volume décomposé. Selon la complexité de l'élément de construction, les algorithmes sont conçus pour créer différents types de décompositions de faces correspondant à des formes locales de la pièce à décomposer.  ABSTRACT: Conversion of a CAD model to a CAM model is the initial step of computer integrated manufacturing. Main issues concerning the conversion are as follows: defining volumes of removable material geometrically, verifying accessibilities to so obtained volumes, associating machining operations with these volumes individually, selecting cutting tools, sequencing machining operations, and assign a machine to perform the process. Determination of individual volumes of removable material is the first issue of the conversion. In the past decades many approaches have been developed by enormous efforts but no study up to date has comprehensively discussed approaches to generate volumes of removable material for producing a complex aeronautical structural part. In the perspective of volumetric definition of removable material, existing methods are limited to prismatic features. The main objective of this research was to develop systematic approaches to generating automatically the complete set of volumes of removable material according to the 3D models of both an aeronautical structural part to be produced and the stock (a piece of raw material) to be machined. Due to powerful mathematical tool of Boolean operations available for separating very complex volumetric geometries into relatively simple smaller volumes, delta volume decomposition has advantages in generating removable volumes. In this research volume decomposition approaches were developed for the purpose that every volume of material can be machined in one machining operation. Concave edges imply possible requirement of different machining operations. Detecting concave edge is the premier step of interior volume decomposition. In this study a mathematical approach was developed to verify the concavity of an edge in the boundary of a 3D solid model. Approaches to detecting concave edges were proposed. Generating splitting faces is the key step to define a decomposed volume. According to the complexity of the structural component, algorithms are developed to create different kinds of splitting faces corresponding to local shapes of the part to perform decompositions. Face union is a powerful tool to separate volumes bounded by faces of complex geometries. This research proposed recursive procedures of decomposition. Using the proposed approaches the 3D design model of an aeronautic structural component is converted into volumes of removable material (named sub delta volume and denoted SDV in this research) by means of delta volume decomposition.


identifier: Castelli, S. (2012). Hydrogéochimie des sources associées aux Eskers de l'Abitibi, Québec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le passage du dernier glacier lors du Pléistocène et son retrait à l'Holocène il y a environ 9000 ans AA, ont permis avec l'érosion du socle rocheux, la mise en place de dépôts granulaires perméables dont les longues accumulations de sables et de graviers fluvioglaciaires que sont les eskers, ainsi que la Moraine d'Harricana. Certains eskers sont d'importants aquifères en raison de la présence d'argile glaciolacustre sur les flancs qui retient l'eau dans les formations granulaires. La région de l'Abitibi a depuis longtemps été présentée comme ayant un potentiel hydrique important associé à des sources. Une étude réalisée par Champagne (1988) porte sur le potentiel aquicole en relation directe avec des sources de l'Abitibi. L'eau souterraine provenant de plusieurs eskers de l'Abitibi est aussi reconnue pour sa grande qualité. Lorsque l'on considère la vulnérabilité des aquifères présents dans les eskers et que plusieurs municipalités de la région s'approvisionnent en eau souterraine, il est important de connaître la ressource et d'en faire une bonne gestion. L'objectif de ce projet de recherche est la caractérisation hydrogéochimique des sources associées aux eskers de l'Abitibi. Les objectifs spécifiques sont de déterminer les caractéristiques physico-chimiques des sources afin d'établir le portrait de la qualité de l'eau, d'étudier la variabilité de la géochimie des sources dans la région, de réaliser un échantillonnage détaillé des sources les plus importantes afin d'évaluer la variabilité de la géochimie durant l'année et, à l'aide de traceurs environnementaux (deutérium (δ2H), oxygène-18 (δ18O), carbone-14 (14C), carbone-13 (δ13C), tritium (3H)), d'identifier l'origine et l'âge de l'eau. L'approche méthodologique consiste dans l'inventaire et l'intégration des données existantes permettant la sélection des sites à partir des connaissances actuelles des eskers de l'Abitibi.  ABSTRACT: The passage of the last glacier during the Pleistocene and its retreat at the Holocene about 9000 years BP, left several granular deposits which consist of long accumulations of sand and gravel such as eskers and the Harricana Moraine. Some eskers are important aquifers due to the presence of glaciolacustrine clay over the esker flanks, thus maintaining water in the granular deposits. The Abitibi region has long been presented as having an important water potential associated with major springs. A study by Champagne (1988) focuses on the aquaculture potential in direct relation with the springs of Abitibi. Groundwater from several eskers in Abitibi is also known for its high quality. When considering the vulnerability of aquifers present in eskers and that several municipalities of the region are supplied by groundwater, it is important to gain a better knowledge of the resources in order to support their management. The objective of this project is the hydrogeochemical characterization of springs associated with eskers of Abitibi. The specific objectives are to determine the physicochemical characteristics of springs to establish the portrait of the water quality, to study the variability of the geochemistry of springs in the region, to make a detailed sampling of the major springs to assess the variability of the geochemistry during the year and, using environmental tracers (deuterium (2H), oxygen-18 (18O), carbon-14 (14C) carbon-13 (13C), tritium (3H)), to identify the origin and age of the water. The methodology consists of inventory and integration of existing data for the selection of sites from the current knowledge of the Abitibi eskers.


identifier: Faye, M. (2012). Étude des déplacements sismiques des murs de refend rectangulaires en béton armé  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire à pour obje tif d'étudier le dépla ement sismique des murs de refend re tangulaires. Pour atteindre et obje tif nous avons fait l'étude de trois bâtiments qui ont des hauteurs respe tives de 21m, 42m et 63m. An de tenir ompte des aléas sismiques de l'Est et de l'Ouest du Canada les bâtiments sont situés à Montréal et à Van ouver. Le système de résistan e aux for es sismiques des bâtiments est onstitué de deux murs de refends du tiles. Ces bâtiments ont été dimensionnés selon les exigen es du CNBC 2005 et 2010 et selon les exigen es du ode de béton CSA A23.3-04. Dans e projet seul les murs de refends seront onsidérés ave l'hypothèse selon laquelle ils reprennent la totalité des harges sismiques et gravitaires. La modélisation des murs s'est faite par éléments bres en utilisant les logi iels Opensees et Seismos- tru t. Les séismes hoisis pour les analyses non linéaires sont des séismes historiques de l'Amérique du nord et les séismes arti iels générés par Atkinson. La alibration de es séismes a été faite sur les spe tres de dimensionnement de Montréal et de Van ouver en utilisant deux méthodes de alibration. Nous avons ee tué trois séries d'analyses. Une première série d'analyse non linéaires temporelle an d'estimer le dépla ement maximum et résiduels des murs de refend. Cette série d'analyses montre que les dépla ements maximums obtenus entre Opensees et Seismostru t sont quasiment les mêmes. Les dépla ements inter-étages obtenus ne dépassent pas les limites pré onisées par CNBC2010 soit 2.5% de la longueur d'étage. La deuxième série d'analyse onsiste à omparer les résultats des prols de dépla ements obtenus aux dépla ements ibles determinés par des expressions simpliées.Une dis ussion des résultats obtenus est presentée en fon tion du type de bâtiment et de sa lo alité Est versus Ouest. Cette étude a montré que la méthode simpliée peut être appliquée pour les bâtiments pas trop élan és en alternative à l'analyse non linéaire qui prend beau oup de temps et qui est é onomiquement outeux.  ABSTRACT: This proje t aims to study the seismi displa ement of reinfor ed re tangular on rete shear walls. Buildings with heights of 21 m, 42 m and 63 m, orresponding to 6, 12 and 18 storeys are onsidered. For ea h building, seismi resistan e to lateral for es is provided two shear walls. To take a ount of the seismi hazards of both Eastern and Western Canada, the buildings were designed for Montreal and Van ouver a ording to re ent editions of NBCC and CSA A23.3-04. Two ber-element software pa kages, OpenSees and Seismostru t, where used to perform the nonli- near time history analysis of the on rete shear walls subje ted to simulated and histori al ground motions. The ground motions used were s aled to mat h the target UHS at Montréal and Van ouver as pres ribed by the CNBC 2010. Nonlinear dynami analyses were mainly used to evaluate maximum and residual displa ements of the studied shear walls. The results of these analyses indi ate that the maximum displa ements obtained from OpenSees and Seismostru t were nearly equivalent. In all ases, the interstorey drift obtained did not ex eed the interstorey drift limits re ommended by CNBC2010. More variations were found in the predi ted residual displa ements by OpenSees and Seismostru t.


identifier: El Aatar, O. (2011). Étude de la consolidation gravitaire en colonnes des remblais miniers cimentés en pâte  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La problématique du remblayage des chantiers souterrains dans les mines abitibiennes demeure une grande préoccupation de nombreux chercheurs ces dernières décennies. Par exemple, il a été observé dans les vides remblayés que le remblai se tassait quelques jours après sa mise en place (0,9 à 1,5 m à la mine Louvicourt). En outre, la résistance mécanique du remblai cimenté en pâte (RCP) augmentait sensiblement, presque de trois fois, entre le haut et le bas du vide remblayé due à la consolidation. Des études ont montré également que la résistance mécanique du remblai prélevé in situ par carottage était supérieure de 2 à 4 fois à celle des éprouvettes du même remblai coulé dans des moules en plastique. Parmi les nombreuses causes possibles pouvant expliquer ces observations, on peut mentionner la consolidation des remblais sous leur poids propre (ou gravitaire). L'objectif principal de ce projet de recherche est donc de comprendre les phénomènes physiques qui gouvernent l'acquisition de résistance mécanique des remblais en pâte après leur mise en place. Pour ce faire, trois colonnes en PVC, de 3 m de haut chacune, ont été fabriquées et installées à l'usine de remblai de la mine Louvicourt (LVT) puis à l'usine de remblai de la mine LaRonde (LRD) pour y être remplies. Les colonnes étudiées à la mine Louvicourt permettaient de simuler différentes configurations de drainage latéral d'un vide remblayé à savoir, un drainage total le long de la hauteur de la colonne, un drainage partiel, et aucun drainage; tandis que les colonnes à la mine LaRonde permettaient de comparer les résultats de trois recettes de remblai en pâte dans le cas du drainage latéral et vertical. Avant le remplissage des colonnes, l'effet du temps de malaxage sur la valeur de l'affaissement (slump) du RCP a été évalué. Chaque colonne a ensuite été remplie avec du RCP ayant un slump similaire à celui du remblai utilisé dans les chantiers souterrains et en deux séquences de remblayage d'environ 1,45 à 1,5 m sur une durée de 24 heures.  ABSTRACT: The challenge of underground mines backfilling in Abitibi region remains a major topic of investigation by many researchers in recent decades. For example, it has been observed in the backfilled stopes that the top of the fill settles systematically few days after its placement (by an average value varying between 0.9 and 1.5 m observed at Louvicourt mine). In addition, the strength of the cemented paste backfill (CPB) increases substantially, almost three times between the top and bottom of the backfilled stope. Some studies have also shown that the strength (unconfined compressive strength or UCS) of in situ CPB core specimens was 2 to 4 times of that of specimens of the equivalent lab-prepared CPB poured into plastic moulds. Among the many possible causes which could explain these observations, one can mention the self-weight consolidation of CPB. The main objective of this research is to understand the physical phenomena that govern the mechanical strength development within paste backfill after placement. To this end, three PVC columns, each of 3 m high, were manufactured and installed at the Louvicourt (LVT) mine and LaRonde (LRD) mine backfill plants to be in-filled. The column tests performed at the Louvicourt mine backfill plant allowed simulating different drainage configurations of a backfilled stope, namely, full drainage, partial drainage and no drainage while column tests performed at the LaRonde mine allowed comparing the response of three different paste backfill mix recipes for unique drainage condition: combined lateral and vertical drainage. Before the columns in-filling, the effect of mixing time on the slump height value of CPB was evaluated. Each column was then in-filled with CPB having a slump height similar to that of the fill used underground and in two sequences of in-filling of about 1.45 to 1.5 m over a time period of 24 hours.


identifier: Mokwinski, Y. (2012). Adaptation de maillage pour les problèmes à surfaces libres en mécanique des fluides  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le sujet de cette thèse de doctorat est l'adaptation de maillage pour les problèmes à surfaces libres en mécanique des fluides. Nous abordons  différents aspects de la modélisation et de la simulation numérique des écoulements à surfaces libres. Nous proposons l'utilisation d'une approche eulérienne pour modéliser les interfaces, et nous avons choisi la méthode de la pseudo-concentration afin que les changements topologiques des fluides ne soient pas une source de complexité des algorithmes. Les difficultés liées à cette méthode de capture de l'interface sont identifiées et nous proposons des solutions pour am'eliorer la précision des calculs qui n'est pas au rendez-vous si la méthodologie n'est pas correctement élaborée. L'adaptation de maillage est une composante essentielle de la méthodologie proposée. Une résolution adéquate du maillage là où cela est nécessaire permet de rendre la méthode de la pseudo-concentration compétitive. Dans cette thèse, nous abordons trois thèmes. Pour être capable d'inclure les problèmes régis par la tension superficielle, nous avons développé une méthodologie pour le calcul numérique de la force capillaire. Pour proposer une simulation numérique la plus fidèle possible vis-à-vis du phénomène physique étudié la conservation des paramètres physiques est essentielle, nous avons développé une méthodologie de réinitialisation de la variable eulérienne. Enfin, pour être capable d'appliquer l'adaptation de maillage sur des simulations transitoires, nous avons proposé une méthodologie incluant la définition des métriques adéquates, l'interpolation des fonctions éléments-finis entre deux maillages ainsi que l'insertion d'un prédicteur dans le processus d'adaptation. Les principales contributions de cette thèse sont illustrées par la résolution numérique de cas tests classiques impliquant la modélisation des surfaces libres.  ABSTRACT: This Ph.D. thesis deals with mesh adaptivity for the numerical simulation of free surface problems in fluids mechanics. We study various aspects of the  modeling and the numerical simulation of free surface flows. We use an Eulerian  approach for the modeling of the dynamics of the interface. We opt for the pseudo-concentration method so that topologic changes do not add to the algorithmic complexity of the overall numerical strategy. The challenges related to the use of this interface capturing method are detailed and we  propose a set of cures to improve the accuracy of the numerical computations  when the methodology is not well chosen. Mesh adaptivity is a central component of the proposed methodology.  A good mesh helps making the pseudo-concentration  method competitive. We pursue three specific objectives in this thesis. To be able to model problems with surface tension, we developed a numerical methodology for the computation of capillary force. The developed methodology includes the reinitialization of the Eulerian marker to allow the accurate modeling of the physics of the problems under study. Finally, in order to perform mesh adaptivity to transient simulations, we propose a methodology which includes the  definition of appropriate metrics, the interpolation of finite element functions between meshes and the introduction of a predictor in the mesh adaptivity process. The numerical simulation of verification problems involving the modeling of the dynamics of free surfaces illustrates the contributions.


identifier: Archambault, C. (2013). Structure électronique de nanorubans de graphène avec des contacts métalliques : une étude ab initio  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le graphène, monocouche de carbone aux propriétés inégalées, attire depuis quelques années beaucoup d'attention dans le milieu scientique et technologique. En électronique,son dernier rejeton, le nanoruban - une étroite lanière de graphène-, pourrait bien voler la vedette. Son comportement semi-conducteur et son épaisseur atomique sont des qualités avantageuses dans la course à la miniaturisation des dispositifs tels que les transistors. Toutefois, qui dit dispositifs dit nécessairement contacts métalliques. Hors, à petite échelle, ceux-ci peuvent avoir un effet critique. Par exemple, les états de gap induits par le métal sont susceptibles de court-circuiter les dispositifs les plus courts. Dans cette optique, l'interaction de contacts métalliques d'or, de palladium et de titane avec des nanorubans de taille finie a été étudiée à l'aide de calculs ab initio dans le cadre de la théorie de la fonctionnelle de la densité. Cette approche théorique a permis d'étudier isolément puis de mettre en relation quatre aspects importants de la jonction métal-nanoruban : le caractère de la liaison, le transfert de charge, les effets électrostatiques et les états de gap induits. Le projet avait aussi pour objectif d'étudier les effets de taille liés aux dimensions du ruban et à évaluer la taille minimale envisageable pour préserver un éventuel dispositif de l'effet néfaste des états de gap. Outre leur haut niveau de précision, ces calculs se distinguent des travaux antérieurs par la prise en compte des effets de taille finie qui s'avèrent souvent prédominants pour les rubans de dimensions réduites. Cette modélisation a permis de montrer que tout comme pour le graphène bidimensionnel, les nanorubans peuvent se lier à un métal de deux manières différentes dépendamment de la configuration électronique du métal. Dans un premier cas, il y a physisorption avec le contact d'or, c'est-à-dire une liaison faible dans laquelle ruban et électrode demeurent relativement éloignés. D'autre part, le titane, de par sa forte densité d'états au niveau de Fermi, mène quant à lui à une liaison beaucoup plus forte du type chimisorption caracterisée par une forte hybridation entre les orbitales du métal et celles du nanoruban de graphène. Celle-ci fait apparaître des états évanescents dans le gap du ruban particulièrement intenses. Le palladium représente un cas intermédiaire présentant une hybridation moins importante. On observe que pour les trois métaux étudiés, immédiatement sous le contact, la densité électronique dans le ruban diminue au profit du contact. En effet, toute liaison est accom-  ABSTRACT: Graphene, a graphite monolayer presenting novel exciting properties, has attracted much attention recently in the scientific community as well as in the high-technology industry. In electronics, nanoribbons - narrow strips of graphene which happen to be semiconducting - could possibly allow further miniaturization of electronic devices such as transistors because of their atomic thickness. On the other hand, once making devices, the problem of metallic contacts, which can have critical impact at the nanoscopic scale, cannot be evaded. For example, metal induced gap states may short-circuit very short devices. With this in mind, the interaction of gold, palladium and titanium contacts with finite size graphene nanoribbons has been studied using ab initio density functional theory calculations. This theoretical approach made it possible to study separately and then conjugate four important aspects of the metal-ribbon interaction: bonding, charge transfer, electrostatics and metal induced gap states. Another goal of this project was to study size effects related to the ribbons' dimensions and to estimate the minimal channel length necessary for a device to operate as expected without the unwanted effect of induced gap states. Aside from the high precision achieved, these calculations stand out from earlier studies because they take into account finite size effects which often prevail in small ribbons. Using this model for the metal-nanoribbon junction, it was shown that, as for twodimensional graphene, the bonding between a ribbon and a metal can be of two types depending on the electronic configuration of the metal. In the first case, physisorption, weak bonding resulting in a large separation distance between ribbon and electrode, is illustrated by the gold contact. On the other hand, titanium, because of its high density of states at the Fermi level, binds more strongly with graphene nanoribbons. This chemisorption is characterized by strong hybridization between the metal and the ribbon's orbitals. This leads to the apparition of intense evanescent gap states in the ribbon. As for palladium, it represents an intermediate case showing some but not as much hybridization. For all three metals, right under the contact, we observe a net decrease of electron density in the ribbon in favour of the contact. Effectively, any kind of bonding is generally associated with charge transfer necessary to balance the work function difference. As expected, a metal with a large work function such as gold and palladium tends to attract electrons. However, this behaviour is surprising from titane whose work function is much smaller. This can only be explained by considering the large hybridization of the ribbon's orbitals. Moreover, the


identifier: Aly, M. (2013). A Presence-Based Architecture for a Gateway to Integrate Vehicular Ad-Hoc Networks (VANETs), the IP Multimedia Subsystems (IMS) and Wireless Sensor Networks (WSNs)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le IP Multimedia Subsystems (IMS) est un sujet de recherche qui attire l'attention de la communauté de recherche. Il a comme but de fournir un accès mobile aux différents services internet. Il s'agit d'une architecture de contrôle au-dessus de la couche IP dont le but est de fournir une qualité de service, services intégrés et un système de tarification équitable à travers des interfaces standards. D'autre part, le réseau Ad-hoc de véhicules (VANETs) fournit un nouveau moyen de communication sans-fil entre les véhicules circulants à grande vitesse ainsi que les équipements installés tout au long des côtés de la route. Cette technologie ouvre la porte pour développer des applications diverses comme la génie de trafic, gestion du trafic, diffusion d'information en cas d'urgence pour éviter des situations critiques, divertissement et bien d'autres choses. VANETs forme une sous-classe des réseaux Ad-hoc mobile dont la performance est fortement liée au protocole de routage utilisé dans le réseau. L'intégration des deux technologies, IMS et VANET, permettra de mettre en œuvre de nouveaux services multimédias. Ce mémoire de maîtrise propose une architecture d'une passerelle incorporant ces deux technologies ensemble. Étant donné que les deux architectures utilisent des formats de communication différents, on a conçu un middleware afin d'adapter le format en fonction de la destination et de choisir la meilleur stratégie de livraison d'information entre eux. La passerelle, qui est le cœur de notre architecture, est une couche au-dessus du IMS et le VANET.  ABSTRACT: On one hand, IP Multimedia Subsystems (IMS) are a research area that has been gaining attention from the research community. It aims to provide cellular access to all Internet services. It is a control architecture on the top of the IP layer whose goal is dependent on the provision of the Quality of Service (QoS), integrated services and fair charging scheme throughout standard interfaces. On the other hand, Vehicular Ad-hoc Networks (VANETs) are a new communication paradigm that enables the wireless communication between vehicles moving with high speeds, as well as the vehicles and the road side equipments found along the roads. This opened the door to develop several new applications like, traffic engineering, traffic management, dissemination of emergency information to avoid critical situations, comfort and entertainment and other user applications. Moreover, VANETs are a sub-class of mobile ad-hoc networks; the performance of the communication depends on how better the routing takes place in the network. Routing of data depends on the routing protocols being used in the network. Combining the capabilities of IMS world with the VANET world opens the door to deploy a wide range of novel multimedia services. This dissertation proposes a presence-based architecture for the integration of IMS with VANETs. The presence of the middleware is used to make an instantaneous awareness of the VANETs changes as well as of the IMS format and to select the best delivery strategy between the two architectures. The gateway which is the heart of our architecture is an overlay built on the top of the IMS as well as the VANETs.


identifier: Boulais, E. (2013). Modélisation de l'interaction entre une impulsion laser ultrabrève et une nanostructure plasmonique en milieu aqueux  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ces dernières années ont été marquées par une rapide évolution du domaine des nanotechnologies biomédicales. Plus particulièrement, l'utilisation de laser à impulsions ultrabrèves pour affecter localement et avec précision certaines structures cellulaires et sub-cellulaires présente un intérêt grandissant. Ce type d'impulsion, grâce à leur temps d'impulsion très court (100fs), permet en effet l'ablation efficace de matériau organique transparent tout en réduisant les dommages collatéraux provoqués aux structures environnantes. Cette technologie est néanmoins limitée par certaines contraintes physiques et technologiques, telle que la limite de diffraction, qui restreint ses performances et son application. L'utilisation de structures métalliques aux dimensions nanométriques permet de pallier à ce problème. Ces nanostructures ont en effet l'étonnante capacité d'absorber et de concentrer l'énergie du champ laser dans des volumes nanométriques, bien inférieurs à la limite de diffraction. Cette propriété est causée par l'excitation d'une oscillation collective des électrons de conduction du métal induite par le champ électromagnétique incident, appelée plasmon, qui absorbe et amplifie localement le champ électrique. L'excitation de ce plasmon est de nature résonante à une longueur d'onde incidente qui dépend fortement de la géométrie, des dimensions, du matériau et de l'environnement de la nanostructure. Le degré de localisation de l'énergie lumineuse atteint à l'aide de ces nanostructures plasmoniques est sans équivalent dans le monde macroscopique. Leur utilisation de concert avec des impulsions ultrabrèves permet par conséquent de concentrer l'énergie lumineuse et de réaliser l'ablation de structures avec une résolution bien supérieure à la limite de diffraction, et ce sans nécessiter un système optique de visualisation et de focalisation particulier. Au niveau cellulaire, cette technique permet de réaliser l'ablation ou la modification ciblée de structures cellulaires et sub-cellulaires avec une précision et une efficacité inégalée. Bien que plusieurs études aient démontré le potentiel de cette technologie, la compréhension des mécanismes physiques fondamentaux et phénomènes induits par l'irradiation demeure limitée. En particulier, aucun modèle décrivant l'ensemble des sources potentielles de dommages aux structures cellulaires (hausse de température, génération de plasma, émission d'ondes de pression, formation de bulles de cavitation) possiblement induites par l'irradiation de nanostructure plasmonique par des impulsions ultrabrèves n'est actuellement disponible dans la littérature. Cette thèse présente une modélisation complète de l'interaction d'une impulsion laser ultrabrève et d'une nanostructure plasmonique en milieu aqueux. Les propriétés optiques, mécaniques, thermiques de l'eau sont en effet suffisamment près de celles du milieu biologique  ABSTRACT: The past few years have seen the unfolding and rapid evolution of biomedical nanotechnologies. In particular, ultrafast laser pulses have been used to locally destroy or modify cellular and sub-cellular structures with exceptional precision. Those very short pulses (100 fs) indeed allow the efficient ablation of organic transparent material, while limiting the collateral damages to the surrounding structures. In spite of its great efficiency and versatility, the technique is still limited by some physical constraints, such as the diffraction limit, which limit its performance and applicability. The introduction of nanoscale metallic structures can overcome this problem. Those nanostructures presents an astonishing capability to absorb an locally enhance incident laser energy into nanoscale volumes much smaller than the diffraction limit. This property arises from the laser field induced excitation of a collective oscillation of the metal's conduction electrons called plasmon. This plasmon absorbs and enhance the laser field in the vicinity of the structures. It has a resonant nature at a specific wavelength that depends strongly on the geometry, material, size and environment of the nanostructure. The degree of laser energy localization that can be possibly reached with those structures has no counterparts in the macroscopic world. Using plasmonic nanostructures with ultrafast laser pulses thus bring an unique capability to ablate or alter targeted cellular and sub-cellular structures with an astonishing precision, well beyond the diffraction limit, without even the need for a complex visualization and focussing apparatus. While the great potential of this technology is now widely accepted, there is still a limited understanding of the basic mechanisms and processes triggered by the laser irradiation and leading to the damaging of the surrounding structures. In particular, there exists for the moment no complete modelling of the process that includes all potential sources of cellular damage, including temperature rise, plasma generation, pressure wave emission and vapor bubble formation. This thesis presents such a modelling, with the cell environment emulated by a much simpler aqueous medium. Water is used as its optical, mechanical and thermal characteristic are similar enough to the cell environment to enable the transposition of the results and tendencies observed in water to this medium. Modelling consists in a continuous medium based approach that uses coupled partial differential equations to simulate the nanostructure-water system's response to an ultrafast laser pulse. The the time-dependant field distribution in the system is simulated using classical electromagnetic theory, while the temperature in the nanostructure is calculated using a two-temperature model. Generation and heating of a plasma in the nanostructure's vicinity


identifier: Verstraete, A. (2013). Étude d'une communauté solaire avec stockage thermique saisonnier par puits géothermiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les performances énergétiques d'une communauté solaire située à Calgary (Canada) et comprenant un réseau de chauffage urbain à un seul tuyau alimentant 52 maisons sont évaluées. Contrairement à un réseau classique à deux tuyaux, un réseau à un seul tuyau implique que l'alimentation et le retour se font dans le même tuyau. Ainsi, la température diminue le long du réseau. La communauté comprend un stockage saisonnier de chaleur (BTES) constitué de 144 puits à double tube en U à deux circuits indépendants. Le premier circuit se consacre à la recharge solaire, tandis que le second assure la décharge et est relié au réseau urbain. La communauté est modélisée dans l'environnement de simulation TRNSYS. La communauté solaire Drake Landing (DLSC) située à proximité de Calgary et dont la construction s'est achevée en 2007 joue le rôle de référence dans cette étude. Une comparaison des performances énergétiques de la communauté proposée (appelée CS1T) avec celles de DLSC montre que la fraction solaire, i.e. la part de l'énergie solaire dans l'énergie totale fournie aux maisons, de DLSC est toujours supérieure à celle de CS1T. L'écart est très marqué la première année avec une fraction solaire de seulement 26 % pour CS1T contre 66 % pour DLSC. Après 5 ans d'opération, la fraction solaire de CS1T est de 85 % contre 89 % pour DLSC. Le réseau urbain à un seul tuyau a permis de réduire la longueur de distribution primaire. Les pertes de chaleur du réseau sont ainsi moins élevées qu'à DLSC (178 GJ à l'année 5 contre 250 GJ pour DLSC). Le niveau de température dans le réseau urbain de CS1T a dû être rehaussé à cause de la chute de température le long du réseau. L'absence de stockage à court terme par réservoirs d'eau entraine une faible fraction solaire la première année pour CS1T. En effet, le niveau de température du BTES n'est pas suffisamment élevé pour fournir de l'énergie au réseau urbain. La mise en place de puits géothermiques à double tube en U pour CS1T a permis d'obtenir une meilleure efficacité du BTES : elle varie de 13 % à 62 % les cinq premières années contre une variation de 9 % à 41 % pour DLSC. Finalement, une analyse des coûts montre qu'une économie d'environ 1 M$\$$ pourrait être réalisée en adoptant la configuration CS1T plutôt que la configuration DLSC, pour un coût total du projet DLSC estimé à 3.4 M$\$$.  ABSTRACT: The energy performance of a solar community located in Calgary (Canada) which uses a one pipe district heating loop to supply 52 houses is evaluated. Compared to a classic double pipe heating loop, a one pipe system implies that the supply and return are done from the same pipe. Therefore, temperature drops along the pipe. The community uses a seasonal borehole thermal energy storage (BTES) made of 144 double U-tube boreholes with two independent loops. The first is the solar loop for charging the BTES and the second extracts heat to supply the district loop. The community is modeled in the TRNSYS simulation environment. The Drake Landing Solar Community (DLSC) located near Calgary (Canada), whose construction was completed in 2007 is used as the reference case. An energy performance comparison between the proposed community (named CS1T) and the DLSC shows that the solar fraction of the DLSC, which is the ratio of the supplied solar energy to the total energy requirement of the houses, is always greater than the solar fraction of the CS1T. The difference is relatively large during the first year of operation with a solar fraction of only 26 % for the CS1T, compared to 66 % for the DLSC. After 5 years of operation, the solar fraction of the CS1T increases to 85 % compared to 89 % for the DLSC. The one pipe system reduces the heat losses thanks to the reduction of the distribution loop's length; during the 5th year of operation, theses losses amount to 178 GJ and 250 GJ for the CS1T and DLSC, respectively. Also, the temperature level in the district loop of CS1T needed to be increased because of the temperature drop along the one pipe loop. The lack of a short term water tank thermal storage leads to a small solar fraction during the first year of the CS1T because the temperature level in the BTES is not high enough to provide heat to the district loop. The use of double U-tube boreholes for the CS1T increases the efficiency of the BTES to a range between 13 % and 62 % during the first 5 years of operation, compared to a range between 9 % and 41 % for DLSC. Finally, a cost analysis shows that 1 M$\$$ could be saved by selecting the CS1T configuration over the DLSC for a total estimated project cost of 3.4 M$\$$.


identifier: Stobiac, V. (2013). Développement d'une méthode de Boltzmann sur réseau pour la simulation d'écoulements visqueux en cuves agitées  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La caractéristique principale des écoulements visqueux est leur forte résistance à l'écoulement. Comme la prédominance des forces visqueuses empêche la génération de turbulence, la forme de l'écoulement est principalement affectée par la géométrie du problème, la rhéologie du fluide et la présence de plusieurs phases. La simulation de tels écoulements requiert donc l'utilisation d'un outil numérique capable de traiter précisément les géométries, les rhéologies et les interactions entre les phases. Dans la cadre de cette thèse, l'étude des méthodes numériques a pour objectif d'améliorer la simulation des écoulements visqueux en cuves agitées.  La simulation des écoulements dans les mélangeurs permet de compléter les informations obtenues lors des mesures expérimentales. Par exemple, les approches numériques permettent de visualiser facilement les écoulements à l'intérieur du système de mélange, ainsi que de caractériser des grandeurs globales comme le pompage. Pour autant, les résultats ne sont intéressants que si l'on maitrise l'impact des différents paramètres numériques sur la précision. Le cas des mélangeurs industriels spécialisés pour les liquides visqueux concentre un très grand nombre de difficultés. Premièrement, la géométrie du système de mélange est complexe et évolue au cours du temps. En effet, ce type de mélangeur utilise des formes de pales complexes afin de réaliser le mélange. De plus, les pales doivent racler la cuve pour prévenir la stagnation du liquide, ce qui crée des espacements faibles comparativement à la taille du système. Deuxièmement, les propriétés physiques du mélange sont généralement compliquées. La difficulté réside ici dans la modélisation de l'interaction entre les phases ou entre les différents liquides. Dans le cas de l'étude de l'agitation, caractérisée par la simulation d'une seule phase liquide homogène, la difficulté se concentre sur la rhéologie du liquide. Dans le cadre de cette thèse, nous nous limiterons à l'étude de l'agitation. Malgré ces difficultés, plusieurs travaux de recherche ont été effectués sur la simulation du mélange visqueux dans des cuves agitées utilisées dans l'industrie. Il ressort de ces articles que ce sont principalement les méthodes d'éléments et de volumes finis qui sont utilisées. Malgré des simplifications astucieuses pour faciliter le traitement de la géométrie (tels que les changements de repère ou les conditions aux limites immergées), la simulation des systèmes de mélange entraine un compromis entre la précision des résultats et les temps de calcul. Cette contrainte peut devenir un facteur limitant pour des géométries très complexes et/ou des rhéologies largement non newtoniennes. Cela s'explique principalement par la taille et la complexité du système d'équations obtenu. Ainsi, dans la littérature, les travaux se situant à l'échelle industrielle se limitent généralement à une seule phase liquide. Certaines simulations polyphasiques sont pourtant réalisées, mais souffrent de temps de calcul très importants et/ou d'approximations affectant globalement la précision. Afin de dépasser ces contraintes, il semble pertinent d'utiliser une méthode efficace pour le calcul parallèle et qui permet de traiter facilement des géométries et des rhéologies complexes. C'est pour cette raison que la méthode de Boltzmann sur réseau est utilisée dans cette thèse. La méthode de Boltzmann sur réseau « lattice Boltzmann method (LBM) », basée sur la théorie cinétique des gaz, part du principe que la simulation du mouvement de particules de fluide à une échelle physique plus petite (mésoscopique), va permettre d'obtenir le comportement macroscopique du fluide. Ainsi, à partir de l'équation de Boltzmann, la solution des équations de Navier-Stokes peut être obtenue. L'avantage de ce schéma numérique est qu'il est explicite et basé sur des calculs simples et locaux, ce qui lui confère une très bonne efficacité pour le calcul parallèle. À l'inverse, ce changement d'échelle physique comporte aussi des inconvénients, comme la difficulté d'imposer des conditions aux limites macroscopiques. Malgré des approximations sur les phénomènes aux frontières, la LBM a été appliquée avec succès pour la simulation d'écoulements en milieux poreux et de suspensions solide-liquide. L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthode de Boltzmann sur réseau efficace pour la simulation d'écoulements visqueux en cuves agitées. Pour ce faire, il est nécessaire d'étudier l'applicabilité des différentes stratégies pour l'imposition des conditions aux limites et de caractériser la précision de la LBM dans le cas de géométries complexes. Finalement, il est aussi intéressant d'étudier l'applicabilité de la LBM pour des rhéologies complexes. L'article 1 montre que, dans le cas de géométries courbes (Couette cylindrique et mélangeurs), la précision du schéma LBM est largement affectée par le choix de la stratégie d'imposition de conditions aux limites. Par exemple, dans le cas des mélangeurs raclants, l'approche dite des conditions aux limites immergées « immersed boundary method (IBM) » apparait comme étant moins adaptée. À l'inverse, l'approche la plus simple « modified bounce back-rule (MBB) », basée sur la règle du rebond, et l'approche plus élaborée « extrapolation method (EM) », qui extrapole les populations en fonction de la distance à l'obstacle, donnent la même précision sur les grandeurs caractéristiques des mélangeurs. Cependant, comme seule la stratégie EM permet d'étudier précisément l'impact d'une petite variation de la géométrie, cette approche est sélectionnée pour la suite des travaux. L'article 2 montre ensuite que la LBM, couplée avec la méthode d'extrapolation, permet d'obtenir une précision adéquate pour la simulation de la consommation de puissance et de la capacité de pompage du système de mélange Maxblend. Elle permet aussi d'étudier l'impact de paramètres géométriques comme l'espacement entre la pale et le fond de la cuve. De plus, dans le cas d'une géométrie variable dans le temps (configuration avec contre-pales), la précision reste bonne même si les vitesses sont perturbées aux alentours de la pale. Finalement, l'article 3 montre que, sous certaines limitations sur nombre de Reynolds, la LBM peut être utilisée efficacement pour la simulation d'écoulements fortement non newtoniens. Ainsi, dans le cas du système de mélange Maxblend, un modèle rhéologique de type loi de Carreau-Yasuda avec un indice de puissance de 0.05 a pu être simulé sans affecter largement les temps de calcul. En conclusion, cette thèse a permis de montrer que la LBM peut être utilisée efficacement pour la simulation des écoulements dans les mélangeurs industriels spécialisés pour les liquides visqueux. Il a même été montré que cette approche pouvait être utilisée pour faire de l'optimisation géométrique des systèmes de mélange. De plus, sous certaines contraintes relatives au régime d'écoulement, il a aussi été montré que la LBM permettait de simuler l'agitation de liquides avec des comportements fortement non newtoniens.  ABSTRACT: The major feature of the viscous flow is its resistance to motion. As the viscous forces are dominant the turbulent phenomena disappear, whereby the shape of the flow is determined by the geometry of the problem, the rheology of the fluid and the presence of several phases. In order to simulate such flows, the selected numerical tool used should be capable of accurately managing the geometry, the rheology and interactions between phases. In the scope of this thesis, numerical methods are assessed in order to improve the simulation of viscous flows in stirred tanks. In the case of mixing systems, computational fluid dynamics (CFD) is a facilitating tool which may be used to supplement experimental measurements. For instance, numerical simulations allow to readily visualize the flow inside the mixer and determine characteristic mixing numbers, such as the pumping capacity. However, simulation results are useful only if the impact of the numerical parameters on the accuracy is understood. Batch mixers for highly viscous fluids are quite tricky, rendering the simulation process highly challenging. First, the geometry of the mixing system is complex and time dependent. The complex shape of the geometry is though necessary and used to compensate the impossibility of achieving adequate mixing with the turbulence. Given that close clearance impellers are used to prevent the fluid stagnation near the tank, small gaps are found between the tank and impeller. Second, the physical properties of the mixture are also complex. The modelling approach should be able to account for the interaction between the phases (solid, liquid or gas). In the case of blending, only one single liquid phase is considered, thus the difficulty is concentrated on the rheology of the fluid. In this thesis, only blending will be examined. Notwithstanding such difficulties, the simulation of viscous mixing in stirred tanks has been the subject of many articles. It can be inferred from the literature that the finite element method (FEM) and finite volume method (FVM) have been the most commonly used approaches. Despite the use of ingenious ways to treat the complexity of the geometry (change of reference frame or immersed boundary conditions), the simulation of industrial mixing flows leads to a compromise between accuracy and computation time. This can be explained by the size and complexity of the system of equations to be solved. This limitation can be rather restrictive in the case of particularly complex geometries or highly non-Newtonian behaviors. For instance, most simulations of industrial mixing process consider only one single liquid phase. Conversely, few multiphase simulations have been applied and suffer from considerable computational cost and/or approximations affecting the accuracy of the simulation. In order to go beyond these limitations, it seems pertinent to use a numerical approach efficient for massive parallel computations. In addition, this method must be able to easily integrate complex geometries and rheology. For the above reasons, the lattice Boltzmann method has been selected in this work. The lattice Boltzmann method (LBM) is based on the kinetic theory of gas. The idea behind this approach is to obtain the macroscopic dynamics of a fluid from the simulated motion of mesoscopic fluid particles. The solution of the Navier-Stokes equations is then recovered from the Boltzmann equation. As the LBM is explicit and only requires simple and local computations, the resulting scheme is highly efficient for parallel computations. Inversely, the change in physical scale behind the LBM leads to several difficulties, such as the imposition of macroscopic boundary conditions. Despite approximations on the phenomena at the boundaries, the LBM has been successfully applied for the simulation of porous media flows and solid-fluid suspensions. The main objective of this thesis is to develop an efficient lattice Boltzmann method for the simulation of viscous flows in stirred tanks. To do so, the applicability of the different strategies to impose boundary conditions is first compared. Second, the accuracy of the LBM in the case of complex geometry is characterized. Lastly, the applicability of the LBM for highly non-Newtonian fluid is investigated. Article 1 illustrates that the accuracy of the scheme is largely affected by the selection of the boundary condition strategy. For instance, in the case of close clearance impellers, the immersed boundary method (IBM) seems to be less accurate. Inversely, the simplest approach, the modified bounce-back rule (MBB), and a more elaborate method, the extrapolation method (EM), which uses the distance from the obstacle to extrapolate missing populations, provide a similar accuracy on characteristic mixing numbers. However, only the EM allows investigating variations of the geometry lower than the lattice spacing. For this reason, this boundary condition strategy is used in the other articles. Article 2 shows that the LBM accurately predicts the power consumption and pumping capacity of a mixing system. In addition, the impact of geometrical parameters, such as bottom clearance, can likewise be effectively investigated. Moreover, in the case of time dependent geometries, the LBM conserves an acceptable accuracy even if perturbations appear near the impeller. Lastly, article 3 demonstrates that, under constraint on the maximum Reynolds number, the LBM can be used to simulate highly non-Newtonian fluid flows. For instance, a Carreau-Yasuda model with a power index of 0.05 was used without largely affecting the computational cost of the simulation. In conclusion, this thesis has permitted to verify the degree of efficiency and utilization of the LBM for the simulation of viscous flows in stirred tanks. It has also shown that this approach can be used for the optimisation of process geometry. Moreover, under some limitations of the Reynolds number, it can be extended to the blending of highly non-Newtonian fluids.


identifier: Pfeiffer, V. (2013). Développement d'une méthode de calcul de la performance des procédés de désinfection des installations de traitement d'eau potable  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal des installations de traitement d'eau potable est de réduire le risque microbiologique relié à l'ingestion de l'eau sous un seuil acceptable. Pour cela, l'ajout de désinfectant est généralement utilisé afin d'inactiver un pourcentage défini des microorganismes pathogènes présents dans l'eau. Ce pourcentage est fixé en fonction de la qualité de l'eau brute prélevée et définit les objectifs de traitement de l'usine. Le calcul des performances des procédés de désinfection permet donc de s'assurer du respect de ces objectifs. Les installations de potabilisation ont également des normes à respecter sur les contaminants chimiques présents dans l'eau. Les procédés de désinfection peuvent également servir à l'enlèvement de ces contaminants et il est donc intéressant d'estimer leurs performances à ce niveau. Pour pouvoir être utilisée à large échelle, la méthode de calcul des performances doit être à la fois simple et fiable. Le calcul des performances des procédés de désinfection dépend de trois principaux facteurs : les cinétiques de réaction (avec les contaminants microbiologiques ou chimiques), les cinétiques de décroissance du désinfectant dans l'eau et les phénomènes hydrauliques agissant au sein du réacteur. Pour décrire chaque aspect, il existe différents modèles dont les niveaux de complexité et d'efficacité varient. Les performances d'inactivation ou d'enlèvement prédites par les méthodes finales dépendent entièrement des modèles utilisés et des hypothèses posées.  ABSTRACT: The main goal of drinking water facilities is reducing the microbiological risk related to water ingestion under an acceptable threshold. To achieve that, disinfectants are usually added in water in order to inactivate a given percentage of pathogenic microorganisms. The Water Treatment Plants' (WTP) goals are represented by this percentage, which is defined based on the raw water quality. The calculation of disinfection performance for each process is used to ensure compliance with these goals. WTPs also have to respect standards on chemical contaminants present in water. Disinfection processes are useful for removing these contaminants and their performance should be assessed. The performance calculation has to be both simple and reliable for widespread application. The calculation of disinfection processes performance depends on three main factors: the reaction kinetics (with microbiological or chemical contaminants), the disinfectant decay kinetics and the hydraulic phenomena acting inside the reactor. Each aspect is decribed by several possible models which are identifiable by their degrees of complexity and effectiveness. The calculated performance is fully influenced by the models employed and the assumptions made.


identifier: Perez, M. (2013). Interprétation et modélisation numérique d'essais oedométriques et de perméabilité à niveau variable réalisés sur des argiles Champlain  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La détermination de la conductivité hydraulique k des matériaux peu perméables est une étape incontournable dans la conception de nombreux ouvrages de génie civil. Ce paramètre peut être déterminé in situ ou en laboratoire. Dans ce deuxième cas, il existe une variété de tests et de méthodes visant à évaluer les propriétés hydrauliques. Les travaux présentés ici s'appuient sur des essais de consolidation oedométrique pour lesquels des essais de perméabilité à charge variable ont été réalisés entre les paliers de chargement. Avec ce type de test, k peut être évaluée de deux manières: les méthodes de détermination indirecte (théorie de Terzaghi) et directe (méthodes graphiques traditionnelle ln(ht=0/h) vs temps et des vitesses Δh/Δt vs hm ). L'objectif est de comparer ces différentes méthodes d'interprétation, en se basant sur un important nombre d'essais en laboratoire réalisé sur des argiles Champlain de la localité de Lachenaie et des mélanges sable-bentonite, et tenter d'expliquer les divergences observées sur les résultats. Les travaux se décomposent donc en deux parties, une analyse détaillée de la méthode du graphique des vitesses (Chapuis et al., 1981) et la réalisation d'un modèle numérique permettant de reproduire les essais en laboratoire. La déformabilité des échantillons au cours de l'essai de perméabilité suite à l'application d'une charge hydraulique importante, tend à courber le début du graphique des vitesses et ainsi surestimer la conductivité hydraulique et l'erreur piézométrique h0. La méthode du graphique des vitesses fournit une bonne estimation de k lorsque les essais sont prolongés et les vitesses décrivent parfaitement la partie linéaire du graphique. Ainsi, une valeur de h0 inférieure à 20 cm, réduit l'écart entre les valeurs de perméabilité déduites des méthodes traditionnelles et des vitesses à un ordre de grandeur. Cependant, une erreur piézométrique subsiste lorsque les essais sont prolongés. Des gradients de type chimiques et le phénomène d'osmose peuvent en être à l'origine. Le modèle numérique a permis d'obtenir des résultats additionnels. Les surpressions interstitielles, persistant suite à l'essai de consolidation, peuvent impacter les résultats de l'essai de perméabilité en modifiant les gradients d'écoulements. Le tassement secondaire semble être effectif tout au long de la consolidation, mais sa variation temporelle n'est pas considérée dans le modèle.  ABSTRACT: The knowledge of hydraulic conductivity k in fine-grained soils is essential in the design of civil engineering structures. This parameter can be determined in situ or by laboratory experiments. In this latter case, a lot of experiments and methods exist that can define hydraulic properties of tested materials. This study is based on variable-head permeability tests conducted between the loading steps of oedometer tests. With those tests, there are two ways to determine permeability: indirect methods (using the coefficient of consolidation with Terzaghi theory) or direct methods (semi-log plots representing the head difference against time and the velocity graph method). The principal objective of this research project lies in comparing these different methods of interpretation. This comparison has been conducted on numerous laboratory tests performed on Champlain Clays from Lachenaie and sand-bentonite mixes. Part of this objective is also to attempt to explain the different k-values. This study is divided into two parts, a detailed analysis of the velocity graph method (Chapuis et al., 1981) and the development of a numerical model able to reproduce laboratory tests. During the permeability test, the application of an important hydraulic head produces a sample deformation. This deformation tends to bend the initial part the velocity graph and over evaluates the permeability and the hydraulic error h0. Therefore, to obtain a good estimation of k with the velocity graph method, permeability tests must be extended so that the data reaches the linear part of the graph. When the h0 value is larger than 20 cm, k is overestimated by half an order of magnitude. Nevertheless, an error remains even if tests are extended. This error could be caused by chemical gradients which also produce flow by osmosis. Some observations that were not noticeable in the laboratory were enabled by the numerical model. Thus, non-dissipated pore pressures resulting from the loading steps that precede the variable-head permeability tests may impact permeability test results by modifying flow gradients. Also, secondary settlement seems to be active throughout the consolidation. However, the variation of Cα value is not accounted in the model.


identifier: Mortazavi, F. (2013). Development of a Global Digital Image Correlation Approach for Fast High-Resolution Displacement Measurements  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La Correlation d'Images Numériques (CIN) est l'une des techniques de mesure de champs sans contact les plus répandues en mécanique expérimentale en raison de sa simplicité ainsi qu'à ses faibles coûts d'expérimentation. La multitude de mesures fournies par la technique a donné lieu à des applications dans différents domaines de recherche. Ces applications comprennent, sans s'y limiter, l'identification des propriétés mécaniques, la vérification de simulations numériques, la cartographie de déformations ainsi que le repérage de phénomènes locaux(par exemple, l'amorce de la plasticité ou de fissures). La CIN consiste à établir des corrélations spatiales entre deux images numériques acquises à partir de la surface d'un échantillon dans deux états différents de déformation. En outre, en utilisant des systèmes d'imagerie 3D pour acquérir des images en volume, la même méthode peut être utilisée pour corréler textures 3D dans les volumes, ce qui augmente la gamme d'application de la technique. Cette dernière est appelée la Corrélation de Volume Numérique (CVN). La première approche de la CIN se fondait sur la corrélation de sous-fenêtres d'images dans toute la région d'intérêt, ce qui permettait de suivre le mouvement de points individuels sur la surface (plus récemment, dans le volume). Les vecteurs de déplacements ainsi mesurés étaient obtenus indépendamment les uns des autres, à la fois en termes de calcul et de base cinématique. Cette non-conformité des mécanismes de déformation entre les sous-fenêtres adjacentes pouvait réduire la fiabilité de mesures. En effet, à haute résolution, les hétérogénéités de déformation doivent être précisement capturées à des niveaux microstructuraux. Cette problématique a fait l'objet de recherches pour développer des approches globales, ou un seul mécanisme de déformation était visé pour l'ensemble de la region d'interêt en utilisant un grand nombre de Degrés de Liberté (DDL). Cependant, les algorithmes implementés étaient coûteux en calcul, surtout pour les DDL élevés. Le problème devenait encore plus important dans le cas de la CVN, ou une quantité énorme de données devait être récolté. L'objectif principal de cette thèse était de développer et de valider une meilleure approche globale, permettant de concilier la précision et l'efficacite nécessaires pour des mesures à haute résolution, tant en 2D qu'en 3D. Tout d'abord, une approche globale s'appuyant sur une décomposition spectrale pour le champ de déplacement recherché a été adoptée et améliorée par la suite. L'amélioration a consisté d'abord à modifier la base cinématique de corrélation avec des séries de Fourier. Cette modification a eu pour but d'améliorer la vitesse de convergence ainsi que de diminuer l'incertitude de mesure pour une vaste gamme de champs de déplacements.  ABSTRACT: Digital Image Correlation (DIC) is one of the non-contact full-field measurement techniques widely used in experimental mechanics due to its simplicity and low experimental costs. The abundance of knowledge provided by the full-field measurement, has led to emerging applications in different areas of research. These applications include, but not limited to, mechanical properties identification, verification of numerical simulations, strain mapping and pinpointing local phenomena (e.g. onset of plasticity or cracks). DIC is based on establishing spatial relations between two digital images acquired from the surface of a specimen in two different deformation states. Furthermore, if volume images are acquired using X-ray tomography, for instance, the same image correlation method in 3D can be used to correlate the 3D texture within the volumes. The latter method is called Digital Volume Correlation (DVC) and leads to the measurement of internal strains, thus further extending the application range of the technique. The earliest approach of DIC was based on the successive correlation of image subsets. The resulting motion vectors were thus obtained independently from each other, both in terms of computation and the kinematic basis. This nonconformity of the deformation mechanisms among neighboring subsets, however favorable for low-cost computations, may downgrade the measurement reliability, especially at high resolutions. This issue justified the development of global approaches, where one deformation mechanism was sought for the whole region of interest using a large number of Degrees of Freedom (DOF) and through correlating the whole region once and for all. However, the implemented algorithms became computationally expensive, especially at high resolutions. The problem became even more prominent for DVC measurements, in which a huge amount of data should be treated. The main purpose of this thesis was to develop and validate an improved global approach that can reconcile the accuracy and computational efficiency needed for high-resolution measurements in 2D and 3D. First, a global DIC approach based on Fourier decomposition for the sought displacement field was adopted and subsequently improved. The improvement consisted firstly in modifying the Fourier-based kinematic to achieve more rapid convergence and lower uncertainties for a wider class of displacement fields. Also, a special strategy was developed for properly correcting for the edge effects stemming from periodic basis functions. The developed algorithm was tested using computer-generated experiments, the results of which proved the functionality of the introduced modifications.


identifier: Landry-Lavoie, R. (2013). Étude de l'influence du champ magnétique dans une section d'essais thermohydraulique d'un canal de réacteur nucléaire CANDU 6  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire traite des effets des champs magnétiques présents dans une section d'essais thermohydraulique de l'industrie nucléaire canadienne. Cette section d'essais sert à déterminer les conditions thermohydrauliques pouvant mener aux flux de chaleur critique dans un canal de réacteur nucléaire CANDU 6. Pour effectuer ces séries d'expériences, la compagnie STERN a eu recours à de forts courants électriques pour chauffer les assemblages de simulation avec une puissance thermique similaire à celle retrouvée dans un canal de réacteur nucléaire CANDU. Les matériaux constitutifs du canal de simulation et de ses supports sont de nature ferromagnétique. Le fort champ magnétique généré par les assemblages de simulation implique que ces derniers sont soumis à une force magnétostatique due à l'aimantation des matériaux ferromagnétiques. L'industrie nucléaire désire savoir si ces efforts, combinés à la force de gravité, sont suffisants pour maintenir en place les assemblages dans le canal de simulation. La question se pose aussi de savoir si le champ magnétique présent dans le canal peut avoir une influence sur les paramètres de transfert thermique par ébullition. Pour déterminer la distribution du champ magnétique dans le canal de simulation, la méthode des images en magnétostatique a été utilisée ainsi que la méthode intégrale de calcul de l'aimantation. Les résultats des calculs effectués démontrent que l'amplitude de la force magnétostatique exercée par les éléments ferromagnétiques de la section d'essais est inférieure à celle estimée par le laboratoire STERN. Le modèle mécaniste de Sullivan et al. (1964) a été utilisé pour évaluer l'influence possible des champs magnétiques sur le diamètre de détachement des bulles de vapeur. La déviation, quant à la fréquence d'émission des bulles, a été évaluée à l'aide des corrélations de Zuber et al. (1959) et Cole (1960). En introduisant une force magnétostatique dans le modèle d'ébullition et les corrélations, il a été démontré que le champ magnétique présent dans la section d'essais de STERN à une influence négligeable sur le diamètre de détachement des bulles et leur fréquence d'émission. En conclusion, les conditions qui règnent dans la section d'essais sont conformes à celles régnant dans un canal de réacteur CANDU 6.  ABSTRACT: This memoir deals with the effects of the magnetic fields present in a thermal hydraulic test section of the Canadian nuclear industry. This test section is used to determine the thermal hydraulic conditions that can lead to critical heat flux in a channel of a CANDU 6 nuclear reactor. To perform their series of experiments the STERN Company used strong electric currents to heat the simulation bundles with a thermal power similar to the one found in a channel of a CANDU reactor. The materials constituting the simulation channel and its supports are of ferromagnetic nature. The strong magnetic field generated by the bundles implies that they are subjected to a magnetostatic force due to the magnetization of the ferromagnetic materials. The nuclear industry wants to know if these efforts, combined with the force of gravity, are sufficient to maintain the bundles in place in the simulation channel. The question also arises whether or not the magnetic field present in the channel can affect the parameters of boiling heat transfer. To determine the magnetic field distribution in the simulation channel, we had recourse to the magnetostatic image method and the integral method of calculation of magnetization. The results of the calculations show that the magnetostatic forces exerted by the ferromagnetic elements of the test section are inferior in magnitude to the one estimated by the STERN laboratorie. We used the mechanistic model of Sullivan et al. (1964) to evaluate the possible influence of the magnetic fields on the departure diameter of the vapor bubbles. The deviation in the frequency of bubble emission was evaluated by using the correlations of Zuber et al. (1959) and Cole (1960). By introducing a magnetostatic force in the boiling model and in the correlations, we demonstrated that the magnetic field present in the STERN test section has a negligible effect on the bubble departure diameter and their emission frequency. We conclude that the conditions in the test section are consistent with those prevailing in the channel of a CANDU 6 reactor.