identifier: Oishi, K. (2012). Oxygen Reduction Reaction on Palladium-Cobalt Alloy Catalysts for Polymer Electrolyte Fuel Cells  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'activité de la réaction de réduction de l'oxygène (RRO) en milieu acide sur les alliages Pd-Co a été étudiée dans ce travail. Les électro-catalyseurs ont été synthétisés par deux techniques : a) La technique de dépôt physique en phase vapeur et b) la technique de réaction de pulvérisation à ultrasons qui a été développée pour la première fois dans notre laboratoire pour préparer directement des électro-catalyseurs supportés sur du tissu ou des feuilles de carbone (GDE) pour des applications de type PEMFC. Les variations des propriétés électrochimiques telles que les quantités de charge liée à : i) l'adsorption/désorption de d'hydrogène, ii) la formation ou la réduction de la couche d'oxyde en fonction de la composition de l'alliage Pd-Co ont été mises en évidence pour la première fois dans ce travail. Les travaux ont été faits sur des couches minces de Pd-Co préparés par un procédé de pulvérisation sous vide cathodique (PVD). Même si un catalyseur à couche mince ne peut pas être utilisé directement comme électrode de PEMFC fonctionnelle parce que sa surface active est faible, le procédé de pulvérisation cathodique est très utile car la composition chimique de l'alliage et l'aire de surface de l'électrode peuvent être contrôlées avec facilité pour assurer des études fondamentales en électro-catalyse. C'est pour cela, les propriétés électrochimiques fondamentales en électro-catalyse ont été réalisées sur ces couches minces de catalyseurs à base d'alliage de Pd-Co. Ainsi, les quantités de charge des processus électrochimiques sur les alliages de Pd-Co indiqués ci-dessus ont été corrélées aux activités électro-catalytiques de la réaction de réduction de l'oxygène (RRO) en milieu acide. Les bonnes activités électro-catalytiques de la RRO sur des alliages binaires de Pd-Co obtenues dans ce travail sont en accord avec les résultats présentés dans les études antérieures. L'activité électro-catalytique de la RRO sur ces alliages augmente dans le sens suivant : Pd16Co84 < Pd42Co58 < Pd < Pd50Co50 < Pd75Co25 < Pd65Co35. L'alliage Pd65Co35 donne l'activité de la RRO la plus élevée suivie par les alliages Pd75Co25 et Pd50Co50. Aucunes améliorations d'activité évidentes n'ont été obtenues pour Pd42Co58 et Pd16Co84 qui ont un contenu de Co plus élevé. Une corrélation linéaire entre les charges d'adsorption/désorption de d'hydrogène et les activités électro-catalytiques de la RRO a été obtenue sur ces alliages de Pd-Co. Les catalyseurs ayant une vi teneur en Co plus élevée ont des activités en RRO plus faibles. Par contre aucune corrélation linéaire n'a été observée entre les caractéristiques de l'activité de la RRO et la quantité de charges liée à la formation ou la réduction des oxydes sur les catalyseurs. Les meilleures activités électro-catalytiques pour le RRO on été identifiées sur les alliages ayant un ratio atomique optimisé entre Pd et Co aux alentours de Pd: Co = 3:1. La méthode de pulvérisation à ultrasons a été développée pour la première fois dans le cadre de ce travail pour la préparation de catalyseurs déposés à l'échelle nanométrique directement sur des supports de feuilles de tissus de carbone commerciaux utilisés (GDE) dans la fabrication des assemblages membranes électrodes pour les piles PEMFC dans notre laboratoire. Cette approche répond bien aux critères d'obtention de catalyseurs de fines particules ayant de grande surface sur la poudre de carbone comme matériaux de cathode pour les piles de type PEMFC. Ceci est d'autant plus pertinent qu'aucune des études réalisées avant n'a réussi à obtenir des particules fines de Pd-Co ayant des dimensions qui soient comparables à celles du catalyseur existant à base de platine à support de carbone (φ2-4 nm). Par conséquent, la mise au point de la méthode de synthèse de catalyseur à base de particules fines de Pd-Co est nécessaire pour mieux utiliser ce catalyseur pour les applications des piles PEMFC. En utilisant cette méthode développée dans ce travail, les catalyseurs de Pt, de Pd et Pd-Co à support de carbone ont été synthétisés et caractérisés pour leur activité en RRO en milieu acide. L'imagerie TEM des échantillons préparés indiquent que la taille des particules dominante de 2,5-4,5 nm. Pour les catalyseurs obtenus. Ce qui montre que cette technique est très utile pour la préparation de catalyseurs à support de carbone à l'échelle nanométrique. La diffraction des rayons-X (DRX) sur les échantillons fabriqués de Pt a montré que les pics de diffraction sont ceux d'une structure cubique à faces centrées (cfc) de Pt. La DRX descatalyseurs synthétisés de Pd et Pd-Co par réaction de pulvérisation ultrasonique a également indiqué des pics de diffraction d'un système cristallin cubique face centré (CFC). Tous les diffractogrammes des échantillons sont similaires à celui de Pd cfc, mais les pics d'origine Co ne peuvent être observés car le système Pd-Co est une solution solide de substitution, de sorte que certains atomes de Pd sont remplacés par des atomes de cobalt. Ce qui constitue un atout car le système de solution solide est considéré comme étant stable en milieu acide [1]. vii Aussi nous avons développé dans ce travail une nouvelle technique utilisant la méthode de réaction de pulvérisation à ultrasons pour réaliser dans un même processus la synthèse du catalyseur à support de carbone nanométrique qui est ensuite déposé directement sur l'électrode à diffusion de gaz (GDE) et formé ainsi un GDE catalysé. En utilisant du papier carbone comme comme support de réaction de la pulvérisation à ultrasons tel que décrit ci-dessus, le catalyseur supporté sur de la poudre de carbone à support est directement déposé sur le papier carbone et formé ainsi le GDE catalysé qui peut ainsi être utilisée dans les piles PEFC. Cette technique permet d'économiser certaines étapes importantes comme par exemple la mise en forme de la poudre de catalyseur (préparation de la pâte de catalyseur et son étalement) et de la fabrication du GDE et conduit à un moindre coût de la PEMFC. Les améliorations obtenues sur l'activité électro-catalytique de la réaction de réduction de l'oxygène en milieu acide sur les catalyseurs de Pd-Co synthétisés par le procédé de réaction de pulvérisation à ultrasons ont été confirmées. Ce résultat est en bon accord avec l'amélioration de l'activité de la RRO de la couche mince synthétisée par PVD. Pour un potentiel donné, le courant de la RRO de Pd3Co1/C et Pd2Co1/C étaient presque les mêmes. Ensuite ce courant diminue de Pd5Co1/C, Pd1Co1/C à Pd/C. Les résultats ont aussi montré que les catalyseurs à base de Pd ont autour de 45mV/dec de pente de Tafel et de courant d'échange normalisée à la masse de Pd qui est égale à 10-11 mA mg-1. Il est supposé que la cinétique de RRO dans cette région de potentiel est la même pour Pd et les catalyseurs à base de Pd-Co¸ et l'ajout de Co dans le Pd a peu d'effet sur la cinétique de RRO. Nous concluons que la méthode de réaction de pulvérisation à ultrasons avec transducteur piézoélectrique est applicable pour la synthèse du catalyseur à alliage binaire de Pd-Co ou de Pt. L'effet de l'addition de Co au Pd pour former l'alliage Pd-Co sur l'amélioration de l'activité électro-catalytique de la RRO par rapport à celle de RRO sur Pd seul a été confirmé. Cette étude contribue à l'avancement des connaissances sur les propriétés électro catalytiques fondamentales de la RRO sur les alliages de Pd-Co. En particulier la relation entre la composition de l'alliage en Co et ses activités électro-catalytiques pour la RRO a été établie et une composition optimum de l'alliage qui conduit à une meilleure activité de la RRO a été déduite. Des corrélations ont aussi étudiés réalisées entre la RRO et la quantité de charge liée à viii l'adsorption/désorption de l'hydrogène et la formation et à la réduction de l'oxyde sur l'électro-catalyseur. En outre, la méthode de réaction de pulvérisation à ultrasons, développée dans cette étude, contribue de manière significative et intéressante du point de vue industrielle à un processus intégré de préparation des catalyseurs (alliages de Pd-Co ou Pt) et de fabrication d'électrodes à diffusion de gaz (GDE) catalysées pour les piles PMFC. En plus cette méthode de synthèse mise au point dans ce travail a permis de disposer de catalyseurs ayant des particules de petite taille (φ2-4nm) en alliage Pd-Co ou de Pt qu'il n'a pas été possible d'obtenir de manière homogène et reproductible par les autres méthodes conventionnelles de préparation. Ces résultats sont d'une grade importance pour le développent commercial de la technologie des piles PEMFC parce qu'en plus de permettent l'obtention de particules de tailles optimisées, ils permettent de réduire les étapes de fabrication des assemblages membranes électrodes (MEA) comme par exemple l'étape de mise en forme du catalyseur de la poudre à la pâte et son étalement sur le GDE dans le cas des méthodes conventionnelles. Alors que dans l'approche de ce travail c'est un dépôt direct du catalyseur sur le GDE au fur et à mesure qu'il est fabriqué. En plus, notre approche permet de réduire leur coût de fabrication et augmente la fiabilité du MEA suite à la réduction des étapes de sa fabrication.  ABSTRACT: The Oxygen Reduction Reaction (ORR) activity in acid medium on Pd-Co was studied in this work. The catalysts were synthesized by two techniques; physical vapor deposition technique and ultrasonic spray reaction technique. The last technique was developed for the first time in our laboratory for the supported electro catalyst preparation and direct deposition onto the carbon paper or gas diffusion electrode the for PEMFC applications. The electrochemical properties such as the amount of hydrogen adsorption/desorption, the oxide formation/reduction of Pd-Co alloy catalyst have not been sufficiently studied before. Therefore these electrochemical properties were investigated by using the Pd-Co thin films prepared by sputtering method. A thin film catalyst cannot be directly used as an electrode of working PEMFCs, however the sputtering method is very useful since the chemical composition of alloy and surface area of the electrode can be controlled easily. Thus the fundamental electrochemical properties such as the amount of hydrogen adsorption/desorption, oxide formation/reduction and oxide reduction peak position on thin films of Pd-Co alloy, Pd and Pt catalysts were determined and their correlations to ORR catalytic activities in acid medium were studied. Enhancements of the catalytic activities for ORR by Pd-Co binary alloys were found to be in agreement with results obtained in previous studies. The electro catalytic performance of the ORR on the various electrodes studied here is: in the order Pd16Co84 < Pd42Co58 < Pd < Pd50Co50 < Pd75Co25 < Pd65Co35. This result clearly shows that alloying Pd with a specific composition of Co enhances significantly the electro-catalytic properties of the ORR on Pd-Co alloys in comparison to Pd alone. Pd65Co35 alloy exhibited the highest ORR activity followed by Pd75Co25 and Pd50Co50 alloys. No obvious activity enhancements were found for Pd42Co58 and Pd16Co84, which have higher Co content. A linear correlation between hydrogen charges and ORR catalytic activities on Pd-Co alloys was obtained. Catalysts having more Co content have lower ORR activities. With regard to the correlation between the amount of oxide formation/reduction and ORR activities, no linier correlation was found. However the results of this work indicated that the optimized atomic ratio between Pd and Co for ORR in acid medium was found to be around Pd:Co = 3:1. Ultrasonic spray reaction method was developed for the first time in our laboratory for carbon supported nano-scale catalyst for PEMFC application. Fine catalyst particles supported on high surface area carbon powder are required to apply the catalyst as the PEMFC cathode materials for x the commercialization, but none of the studies done before were able to successfully obtain the Pd-Co fine particles which are comparable with the existing carbon supported platinum catalyst (φ2-4nm). Therefore the establishment of the catalyst synthesis method for Pd-Co fine particles are required to use the catalyst for PEMFCs. By using this method established in this study, carbon supported Pt, Pd and Pd-Co catalysts were synthesized and characterised for ORR activity. TEM images indicate that this technique is very useful for preparing carbon supported nano-scale catalysts having the dominant particle size of 2.5-4.5 nm. XRD showed diffraction peaks consistent with face-centered cubic (fcc) structure for Pt. XRD of the synthesized Pd and Pd-Co catalysts by ultrasonic spray reaction also indicated fcc crystal system. All diffractograms of the samples are similar to the structure of fcc Pd, but the Co-origin peaks cannot be found. The Pd-Co system is substitutional solid solutions where some Pd atoms are replaced by Co atoms. The solid solution system is considered to be stable in acid media [1]. We developed this new technique of the ultrasonic spray reaction method not only for nano-scale carbon supported catalyst synthesis but also fabricate directly catalyzed GDE. By using carbon paper as a filter of ultrasonic spray reaction method as described above, carbon supported catalyst are directly deposited onto the carbon paper. It directly forms catalyzed GDE. This technique saves some step of the GDE fabrication and will leads lower cost of PEMFC. Catalytic activity enhancements of ORR for the synthesized Pd-Co catalysts by ultrasonic spray reaction method are confirmed. This result has good agreement with the ORR activity enhancement of the thin film synthesized by PVD. For a given potential, the ORR current of Pd3Co1/C and Pd2Co1/C were almost the same and show the highest values among the values of all the other alloys. After, the value of the current decreases from Pd5Co1/C to Pd1Co1/C and Pd/C. All Pd based catalysts have around 45mV/dec of tafel slope and Pd mass corrected exchange current around 10-11 mA mg-1. It is assumed that the ORR kinetics in this potential region are the same among the Pd and Pd based catalysts and the addition of Co into Pd have small effect on the ORR kinetics. We conclude that ultrasonic spray reaction method with piezoelectric transducer is applicable for Pd-Co binary alloy catalyst synthesis and the activity enhancement effect caused by alloying with Co was confirmed on the synthesized catalyst by this technique. xi This study contributes to the advancement of the knowledge of fundamental properties of Pd-Co alloy catalysts and their correlations to the oxygen reduction reaction activities. In addition, the ultrasonic spray reaction method developed for the first time in this study introduces a new easy and low cost Membrane Electrode Assembly preparation significantly to an industrial fabrication process of method of preparation of catalyzed gas diffusion electrodes for PEMFCs. The synthesis method of small particle size (φ2-4nm) Pd-Co alloy catalysts were not possible to be obtained by using the existing conventional methods. However this work has achieved the synthesis of the fine particle catalysts supported on carbons by using the ultrasonic spray reaction method. These results will contribute significantly in the development of PEMFCs based on Pd-Co alloy catalysts in the future.


identifier: Lambert-Milot, S. (2012). Synthèse et caractérisation structurale d'épicouches hétérogènes semi-conductrices/ferromagnétiques : le cas d'agrégats de MnP encastrés dans une matrice de GaP  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'intégration de matériaux magnétiques dans des couches semi-conductrices permet d'envisager le développement de nouveaux dispositifs intégrés très performants. Dans ce contexte, les couches épitaxiales hétérogènes semi-conductrices/ferromagnétiques sont des matériaux très prometteurs. Ces couches sont constituées d'agrégats ferromagnétiques de tailles nanométriques encastrés dans une matrice d'un semi-conducteur III-V. Elles sont ferromagnétiques à la température de la pièce et possèdent plusieurs fonctionnalités magnétiques intéressantes (magnétorésistance géante, effets magnéto-optiques et des effets de polarisation des spins). Les études montrent que les fonctionnalités magnétiques dépendent fortement de la structure des agrégats, en particulier l'alliage, la taille, la densité, la distribution spatiale et la texture (i.e. distribution statistique de l'orientation cristalline des grains). Par conséquent, l'exploitation des fonctionnalités magnétiques des couches hétérogènes dans de futures applications nécessite une régulation des propriétés structurales des agrégats et une meilleure compréhension des mécanismes de croissance des agrégats. L'objectif général de la présente thèse est d'apporter une meilleure compréhension des mécanismes de croissance et de l'influence des paramètres de croissance sur les propriétés microstructurales des couches hétérogènes semi-conductrices/ferromagnétiques. Pour se faire, nous avons entrepris une étude détaillée des propriétés structurales de couches hétérogènes de GaP:MnP (agrégats de MnP encastrés dans une matrice épitaxiale de GaP) fabriquées par épitaxie en phase vapeur aux organométalliques (MOVPE). Nous avons séparé notre travail en trois objectifs spécifiques : (1) réaliser la croissance de couches hétérogènes épitaxiales de GaP:MnP; (2) Établir l'influence des paramètres de croissance sur la microstructure des agrégats et de la matrice; (3) Obtenir une caractérisation détaillée de la texture des agrégats en fonction des paramètres de croissance. Nous avons réalisé des couches hétérogènes de GaP:MnP épitaxiales, sans défauts et cohérentes avec le substrat à des températures de croissance de 650 °C. Les agrégats sont majoritairement de la phase MnP, fortement texturés, distribués uniformément dans la couche, de taille de 15 à 50 nm et occupent 3 à 8 % du volume. Nos mesures montrent qu'une diminution ou une augmentation de la température de croissance modifie la microstructure de la matrice. Lorsque la température de croissance est augmentée à 700 °C, la couche devient très rugueuse et  ABSTRACT: Integration of magnetic materials in thin film semiconductors is a promising way to develop new integrated electronic devices. In this context, heterogeneous epitaxial magnetic semiconductors are interesting candidates. This class of materials corresponds to transition metal-based ferromagnetic nanoclusters embedded in III-V semiconductor layers. Those layers are ferromagnetic at room-temperature and exhibit interesting magnetic functionalities (giant magneto-resistance, large magneto-optic and spin polarization effects). The magnetic properties of the layer are strongly dependent on the structural properties of the clusters, in particular the alloy, the dimension, the density, the spatial distribution and the texture (i.e. the statistical distribution of the crystallographic orientations). In order, to exploit the magnetic functionalities at their full potential, we must control the structural properties of the nanoclusters and understand their growth mechanism. The general objective of this work is to bring a better understanding of the growth mechanism and the influence of the growth parameters on the microstructure of the heterogeneous magnetic semiconductors layers. Toward this end, we have undertaken a detailed study on the structural characteristics of the GaP:MnP ferromagnetic semiconductor thin films grown by metal organic vapour phase epitaxy (MOVPE). We have focused our effort on three specific objectives: (1) to demonstrate the growth of epitaxial heterogeneous GaP:MnP layers; (2) to establish the influence of the growth parameters on the microstructure of the matrix and nanoclusters; (3) to obtain a detailed structural characterisation of the texture of the clusters as a function of the growth parameters. We have successfully grown epitaxial heterogeneous GaP:MnP layers without structural defects on GaP substrates at 650 °C. The layers contain a uniform ensemble of 15–50 nm quasi-spherical MnP nanoclusters within a dislocation-free GaP epilayer matrix that is fully coherent with the substrate. The clusters occupy 3 to 8% of the total volume of the layer, controlled by the flow of the Mn precursor in the vapor phase. We showed that the growth temperature strongly affect the microstructure of the GaP matrix. At 700 °C the surface roughness increases and we have observed 100 nm wide cavities in the GaP matrix. The layers grown at 600 °C contain a large density of pile-up defects along GaP{111} facets. To explain these defects we propose the following mechanism: (1) the nucleation of clusters on the GaP growth surface change the


identifier: Fahem, R. (2012). Points de trace statiques et dynamiques en mode noyau  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En utilisant TRACE_EVENT et UST, il est maintenant possible d'insérer des points d'instrumentation statiques sous Linux en modes noyau et usager respectivement, tout en minimisant l'impact sur la performance du système instrumenté. Toutefois, ces points d'instrumentation peuvent parfois s'avérer insuffisants pour diagnostiquer les origines d'un problème. L'instrumentation dynamique répond à ce besoin en rendant possible l'insertion de points de trace supplémentaires au moment de l'exécution. Récemment, les points de trace dynamiques ont été implémentés dans GDB et GDBServer en mode usager. En utilisant cette technique, on est capable d'associer un ensemble d'actions à n'importe quelle adresse dans le code du programme. Ces actions peuvent servir à collecter les valeurs des registres au moment où le point de trace est rencontré et aussi à évaluer des expressions complexes qui peuvent employer les variables accessibles à partir de cet endroit dans le programme. GDB étant capable de lire les informations de débogage et de localiser l'emplacement de chaque variable, on peut faire référence à une variable dans ces expressions en utilisant directement son nom sans se soucier de son emplacement. Les points de trace statiques et dynamiques de GDB peuvent être conditionnels. Dans ce cas, une expression est utilisée comme condition. Les expressions utilisées dans les conditions et expressions sont converties en code intermédiaire qui est interprété par GDBServer au moment où le point de trace est rencontré. L'intérêt du code intermédiaire est de garantir la portabilité entre les différentes architectures. Cependant, GDBServer peut le transformer en code natif afin d'améliorer la performance. En effet, exécuter du code natif est souvent plus rapide que d'avoir à identifier et exécuter des instructions une par une. Plus récemment, le module KGTP a été proposé comme contribution au noyau Linux. Il se base sur Kprobes pour implémenter les points de trace dynamiques de GDB en mode noyau et communique avec celui-ci en utilisant le protocole RSP (Remote Serial Protocol). Il est seulement capable d'interpréter le code intermédiaire produit par GDB et ne peut pas faire de conversion en code natif. L'objectif de ce travail est d'implémenter un convertisseur en mode noyau pour KGTP pour traduire le code intermédiaire en code natif pour les conditions et aussi les actions afin d'améliorer la performance des points de trace dynamiques. Aussi, nous allons intégrer TRACE_EVENT et GDB en mode noyau à travers KGTP pour être capable, tout comme en mode usager, de lister, activer et désactiver les points de trace statiques du noyau. Le même convertisseur de code intermédiaire à code natif est utilisé avec les points de trace statiques pour pouvoir leur associer des conditions et des expressions supplémentaires à exécuter. Ces expressions doivent elles aussi être capables d'utiliser toutes les variables accessibles au niveau du point de trace statique.  ABSTRACT: With kernel static tracepoints defined using TRACE_EVENT and user-space tracepoints through the UST library, it is now possible to add instrumentation and obtain a low overhead trace of the whole system. However, these static tracepoints may be insufficient to diagnose the source of a problem. Dynamic instrumentation fills the gap by making it possible to insert additional tracepoints in other locations at run time. Recently, GDB was enhanced to support dynamic tracepoints in user-space. Using this feature, tracepoints can be defined in almost every location in a program. A set of actions can be associated to each tracepoint. These actions may be used to collect the values of the registers at the time the tracepoint was hit or to evaluate user-defined expressions. These expressions may be complex and can employ all the program variables accessible from the tracepoint location. GDB being able to read the program debug information and to locate variables, we can refer to variables in these expressions by their names without having to care about their locations. GDB static and dynamic tracepoints may be conditional. In this case, expressions can be used as conditions. In order to simplify evaluation, GDB converts expressions used in conditions and actions to bytecode which is interpreted each time the corresponding tracepoint is hit. Moreover, in some situations, GDB converts the conditions' bytecodes into native code in order to improve performance. More recently, the KGTP kernel module was submitted as a contribution to the Linux kernel. It uses Kprobes to insert GDB dynamic tracepoints into the kernel, implements the RSP (Remote Serial Protocol) to communicate with GDB and can interpret the bytecode used by GDB to define conditions and actions, but is unable to convert this bytecode to native code. The goal of this work is to extend the KGTP module by implementing a bytecode to native code converter in kernel space for both conditions and actions. GDB will also be integrated with TRACE_EVENT through KGTP in order to be able to list, enable and disable the kernel static tracepoints. Expressions may be used in conditions and additional actions. These expressions will be converted to native code and may employ all the variables accessible from the static tracepoint location.


identifier: Allard, Y. (2012). Mesure et vérification du rendement et simulations calibrées d'un bâtiment résidentiel net zéro énergie Étude de cas: Abondance Montréal  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette étude offre une description complète du projet Abondance Montréal, premier bâtiment multilogments visant une consommation nette nulle au Canada. On retrouve principalement l'inventaire détaillé des équipements et systèmes mécaniques tels que construits sur le site, ainsi que la logique de contrôle associée à chacun de ces systèmes. Par la suite, une description de l'installation de monitoring mise en place est faite tout en portant un regard critique sur les aspects clefs liés à la qualité des données mesurées. Dans un second temps, les résultats des premiers mois de mesures sont analysés afin d'évaluer la performance énergétique des différents systèmes en opération dans le projet Abondance Montréal. Les bilans mensuels pour les systèmes d'eau chaude domestique, les systèmes de chauffage, ventilation et climatisation, ainsi que les systèmes électriques, sont présentés. Par la suite, l'analyse est poussée plus en détails pour le système de production d'eau chaude domestique où la dynamique de chacun des sous-systèmes (récupérateurs de chaleur des eaux grises, désurchauffeurs, capteurs solaires thermiques, chauffe-eau électrique et système de recirculation) est étudiée suivant une résolution temporelle d'une minute. À la lumière de ces résultats, il est possible de tirer des leçons utiles pour la conception future de projets visant une consommation énergétique nette nulle. Finalement, la simulation utilisée lors de la phase de conception pour le dimensionnement du système de production d'eau chaude domestique, est calibrée suivant différents niveaux de raffinement. Cette analyse permet de quantifier l'amélioration de la qualité des résultats de simulation en fonction de l'investissement nécessaire en ce qui concerne les ressources (temps et équipements). Ceci permet, du même coup, de donner des indications supplémentaires quant au niveau de raffinement minimal nécessaire pour la calibration en fonction des objectifs visés par l'utilisation de simulations énergétiques.  ABSTRACT: This study provides a complete description of the Abondance Montreal project, the first multi-unit residential building in Canada to aim at net zero energy consumption. . Mechanical systems installed in the building are presented in detail, as well as the control logic of each subsystem. The monitoring system is then discussed with a critical look at the key aspects related to data quality assurance. In a second part, data recorded over the first months of operation are analyzed to assess the energy performance of different systems in operation in the Abondance Montreal building. The monthly reports for domestic hot water systems, for heating, ventilation and air conditioning systems and for electrical systems, are presented. A more detailed analysis is performed for the domestic hot water production system, where the dynamics of each subsystem is studied for a one minute time step (gray water heat recovery, desuperheaters, solar thermal collectors, electric water heater and recirculation loop). Lessons are drawn for designing future net-zero energy consumption buildings. Finally, the simulation used in the design phase for sizing the domestic hot water system is calibrated with different levels of refinement. This analysis quantifies the quality improvement of the simulation results based on the investment required in terms of resources (time and equipment). This provides further guidance on the minimum level of refinement necessary in the calibration process, according to the objectives of building energy performance simulations.


identifier: Bourgeois-Collin, L. (2012). Évaluation de modèles biphasiques linéaires pour la caractérisation mécanique de la plaque de croissance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉ: La plaque de croissance est un tissu cartilagineux dont le comportement mecanique en fluage ou en relaxation de contrainte est dependant du temps, tel celui d'un materiau visco elastique. Les proprietes mecaniques de la plaque de croissance sont generalement obtenues par le recalage de courbes d'essais de relaxation de contrainte en Compression Non Connee (CNC) ou Compression Connee (CC) avec un modele biphasique poroelastique. Cependant, les modeles biphasiques poroelastiques supposent que la plaque de croissance est un tissu homogene alors que ce tissu cartilagineux est compose de chondrocytes repartis dans une matrice extracellulaire et est histologiquement divisee selon trois zones, soit les zones de reserve, proliferative et hypertrophique. De plus, la forme, la fraction volumique et la dispersion des chondrocytes dierent entre chacune des trois zones histologiques. Une etude recente a permis d'observer que l'orientation horizontale des bres de collagene dans la matrice extracellulaire de la zone de reserve diere de celle dans les zones proliferative et hypertrophique. Une etude biomecanique revele egalement que le comportement mecanique de chaque zone s'apparente a un comportement isotrope transverse. La presente etude avait pour premier objectif d'evaluer le modele biphasique poroelastique (Biphasic PoroE- lastic model (BPE)) pour la caracterisation mecanique des zones de reserve et proliferative et le modele biphasique poroelastique isotrope transverse (Transversely Isotropic Biphasic PoroElastic model (TIBPE)) pour la zone de reserve. Le deuxieme objectif etait de verier si le comportement isotrope transverse apparent de la zone proliferative pouvait s'expliquer par l'organisation de ses chondrocytes. Des algorithmes de generation aleatoire ont d'abord ete developpes an de creer des Mod eles d'Elements Finis (MEFs) representant la microstructure detaillee de la zone de reserve et de la zone proliferative. Pour evaluer le BPE, les modeles detailles des zones de reserve et proliferative ont ete representes par une matrice extracellulaire obeissant au BPE alors que, pour evaluer le TIBPE, la matrice extracellulaire des modeles detailles de la zone de reserve obeissait au TIBPE. Les proprietes mecaniques de la matrice extracellulaire ont ete determinees a partir d'une etude de microindentation et d'une etude de caracterisation de la plaque de croissance et de ses trois zones. Comme premiere approximation, les chondrocytes ont ete representes par un comportement isotrope elastique lineaire dans tous les modeles. Les proprietes mecaniques des chondrocytes ont, de leur c^ote, ete determinees a partir d'etudes d'aspiration par micropipette.  ABSTRACT: ABSRACT: The growth plate is a cartilaginous tissue that has a time dependant mechanical behavior in creep or relaxation like a viscoelastic material. The growth plate's mechanical properties are generally obtained by using a biphasic poroelastic model to curve-t relaxation responses in Unconned Compression (UC) or Conned Compression (CC). According to the biphasic poroelastic models, the growth plate is a homogenous tissue. It is however composed of chondrocytes distributed within an extracellular matrix and has 3 histological zones: the reserve, the proliferative and the hypertrophic zones. Furthermore, the form, volume fraction and chondrocyte dispersion varies in each of the three histological zones. A recent study has shown that the horizontal orientation of the collagen bers within the reserve zone's extracellular matrix is dierent from that of the proliferative and hypertrophic zones. Each zone's mechanical behavior is similar to an isotropic transverse behavior as revealed by a biomechanics study. This study's rst objective was to evaluate the Biphasic PoroElastic model (BPE) for the reserve and proliferative zones' mechanical characterization and the Transversely Isotropic Biphasic PoroElastic model (TIBPE) for the reserve zone. The second objective was to verify if the apparent transversely isotropic behavior of the proliferative zone is related to its chondrocytes alignment. Random generation algorithms were developed in order to generate Finite Element Models (FEMs) representing the detailed microstructure of the reserve and proliferative zones. To evaluate the BPE, the reserve and proliferative zones detailed models had an extracellular matrix that obeyed the BPE whereas the evaluation of the TIBPE was conducted with reserve zone's detailed models with an extracellular matrix that obeyed the TIBPE. As a rst approximation, the chondrocytes were assumed isotropically linear elastic in all models. To obtain the reserve and proliferative zones eective mechanical behavior, Representative Volume Elements (RVEs) were dened for relaxation in both UC and CC. Axisymmetric models obeying the BPE were optimized to simultaneously curve-t the RVEs' responses in UC and CC for each zone which extracellular matrix behavior obeyed the BPE. In order to evaluate the TIBPE, an axisymmetric model obeying the TIBPE was optimized to simultaneously curve-t the reserve zone's RVEs' responses in UC and CC for an extracellular matrix obeying the TIBPE. The previously optimized axisymmetric model obeying the TIBPE was then used to predict the mechanical behavior of a RVE under a new mechanical loading.


identifier: Casenave, A. (2012). Étude d'un schéma de calcul pour la détermination des sections efficaces d'un coeur de REP  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce travail a été encadré par l'École Polytechnique de Montréal et l'Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN). Il s'inscrit dans un effort de modélisation des Réacteurs à Eau Pressurisée à l'aide de differents codes informatiques emboîtés fonctionnant en interaction les uns avec les autres. Au sein de l'IRSN, les codes actuellement en place pour l'usage courant sont :  APOLLO version 2. Un code de neutronique de réseau, qui établit des bibliothèques multiparamètrées, lesquelles décrivent le comportement des assemblages sous toutes conditions d'exploitation;  CRONOS version 2. Un code de neutronique de coeur, qui lit les bibliothèques multiparamétrées et résoud l'équation de la diffusion sur le coeur;  FLICA version 4. Un code de thermohydraulique de coeur, qui à partir des résultats de la neutronique calcule l'état thermohydraulique du coeur;  CATHARE version 2. Un code de thermohydraulique de système, qui calcule ensuite l'état des circuits primaire et secondaire. Les trois derniers codes CRONOS, FLICA et CATHARE sont regroupés en une chaîne de calcul appelée HEMERA. L'objectif de ce projet était d'étudier, à l'entrée de cette chaîne, la faisabilité du remplacement de APOLLO par un code développé à l'École Polytechnique de Montréal, DRAGON version 4. En effet, rendre possible une telle substitution serait intéressant pour l'IRSN du point de vue de l'indépendance des résultats obtenus. Dans les faits, ce remplacement n'a pas été rendu fonctionnel puisque CRONOS ne lisait pas les bibliothèques multiparamétrées généerées par DRAGON (au format SAPHYB), probablement à cause d'un problème de compatibilité des versions. On a donc :  Testé la pertinence du recours à DRAGON pour établir à des bibliothèques multiparamétrées;  Comparé DRAGON et APOLLO;  Branché DRAGON au code de neutronique de coeur PARCS et comparé les résultats à ce que l'on obtient grâce au couple APOLLO-CRONOS. L'objectif pour l'IRSN n'est pas d'obtenir des résultats identiques avec DRAGON et APOLLO, mais d'obtenir de part et d'autre des résultats pertinents et de comprendre les différences. Tout au long du projet, les bibliothèques de sections efficaces microscopiques utilisées sont différentes : JEFF3.1. pour DRAGON et JEF2.2 pour APOLLO. Les schémas de calculs utilisés sont différents également, avec un schéma à simple niveau pour APOLLO (méthode des Pij) et à double niveau pour DRAGON (méthode des Pij suivie de la méthode  ABSTRACT: The French nuclear reactors dedicated to electricity production are Pressurized Water Reactors (PWR). Their modelization requires using dierent nuclear simulation softwares, which reflect the fuctionning of different systems (the neutrons in fuel assemblies, the neutrons in the core, the  fluids in the core and the fluids in the primary and secondary sides). The lattice code deals with the behaviour of neutrons in an assembly. The full-core code deals with the behaviour of neutrons in the core. Two thermal hydrolics codes calculate the thermal state respectively of the core and of the system as a whole. The Institut de Radioprotection et de Sûreté Nucléaire (IRSN) is the institution in charge of the technical evaluation of the French power plants safety. As of today, the IRSN uses four codes developed by the French industry. These are APOLLO2 (lattice neutronics code), CRONOS2 (full-core neutronics code), FLICA4 (thermal hydraulics core code) and CATHARE2 (thermal hydraulics system code). The three last codes interact within the calculation chain HEMERA. In order to provide an input to this chain, this project aimed at studying the possibility of a replacement of APOLLO2 by DRAGON4, which is an academic code developed in Montreal at the Institut de Genie Nucleaire (IGN). Indeed, such a substitution could provide an interesting double-check of the calculations, and a greater independance of the results found at the IRSN. Therefore, when obtaining new alternative results, the goal was not to reproduce exactly the existing calculations, but to remain relevant and to understand where the possible dierences come from. The calculations with DRAGON and APOLLO were executed with a dierent microscopic library and a different calculation scheme (respectively JEFF3.1. and double-level versus JEF2.2. and simple-level). We were not able to make calculations by coupling DRAGON and HEMERA, as the interface between the two codes proved to be non-functional. The lattice code produces multi-parameter libraries which are read by HEMERA. However, the libraries produced by DRAGON under the SAPHYB format were not read properly. The goal of the project was then to realize the lattice calculations necessary to the implementation of the libraries anyway, without concatenating them. A comparison of DRAGON and APOLLO has then been performed, as well as a comparison between the results given on the one hand by APOLLO and CRONOS and on the other hand by DRAGON and PARCS, an alternative full-core neutronics code. We concluded that, for each condition of fuel, burnup and control rods position, at least 2340 lattice calculations with DRAGON were mandatory in order to obtain a sufficient pre-


identifier: Lalonde, V. (2012). Mesure de la puissance d'usure d'un tube de générateur de vapeur de réacteur nucléaire en interaction avec une barre anti-vibration  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'usure par frottement des tubes de générateur de vapeur est une problématique importante dans l'industrie de la production d'énergie nucléaire. Sous l'action des forces induites par un écoulement diphasique transverse, les tubes en U vibrent et se heurtent contre leurs supports. Des barres anti-vibration (AVB) supportent les tubes dans leur section coudée pour prévenir les vibrations d'amplitude trop élevée. Un jeu minimal entre les tubes et les AVB est fixé afin de permettre l'expansion thermique des tubes et de prévenir les dommages provenant de l'usure par frottement. Cependant, des jeux plus larges sont souvent observés dans les générateurs de vapeur en service. Cela a pour effet d'augmenter les forces d'impact et le frottement. L'augmentation de l'usure par frottement entraîne la perforation prématurée des tubes, pouvant parfois résulter en l'arrêt complet du réacteur nucléaire et en des coûts de maintenance importants. Afin de prédire la durée de vie des tubes de générateur de vapeur, la puissance d'usure par frottement est le paramètre utilisé. L'usure par frottement dépend des matériaux utilisés dans la fabrication des tubes et des AVB, des conditions d'opération à l'intérieur du générateur de vapeur ainsi que de l'interaction dynamique entre les tubes et les AVB. L'objectif de ce projet est d'étudier expérimentalement le comportement vibratoire d'un tube en interaction avec une barre AVB. À l'aide d'un banc d'essais, qui reproduit la configuration tube/support rencontrée dans les générateurs de vapeur de réacteurs nucléaires, la réponse vibratoire du système et la puissance d'usure par frottement sont mesurées en termes de déplacement du tube et de force de contact avec l'AVB. Ce montage expérimental a été conçu dans le cadre d'un projet de recherche antérieur, mais nécessite cependant une révision complète afin d'améliorer la précision des résultats. Ce projet est subdivisé en quatre étapes, soit : a) l'amélioration du montage et de la procédure expérimentale, b) la prise de mesures de la force de contact entre le tube et l'AVB ainsi que du déplacement du tube, c) l'élaboration d'un traitement de signal adéquat pour le calcul de la puissance d'usure et d) l'exploitation et l'interprétation des résultats. Pour faciliter la modélisation du problème, un tube droit d'une longueur de 2 travées simplement supporté à ses deux extrémités, ainsi qu'un segment de barre AVB situé au centre du tube sont utilisés.  ABSTRACT: Fretting-wear of steam generator tubes is an important issue in the nuclear power industry. The two-phase cross-flow induces vibration of the U-tubes and causing impacts against their supports. Anti-vibration bars (AVB) are designed to support the tubes in their U-bend section and to prevent high vibration amplitudes. The minimum clearances between the tubes and the AVBs are set to allow thermal expansion of the tubes and to prevent fretting wear damage. However, larger clearances are often observed in steam generators. They lead to increased impact forces and friction between the tubes and the AVBs. Fretting-wear often causes premature perforation of the tubes, which can result in complete shutdown of the nuclear reactor and high maintenance costs. Fretting-wear work-rate is the parameter used to predict the service life of steam generator tubes. Fretting-wear depends on the tube and AVB materials, operating conditions within the steam generator and dynamic interaction between the tubes and the AVBs. The objective of this project is to study experimentally the vibration behavior of a tube in interaction with an AVB. The vibration response and the fretting-wear work-rate are measured in terms of displacement of the tube and contact force with the AVB using a test rig that reproduces the tube/support configuration as encountered in steam generators. This experimental setup was previously designed as part of another research project, but requires full revision to improve the accuracy of the results. This project is divided into four steps, which are: a) improvement of the experimental test rig and procedure, b) data acquisition of the tube mid-span displacement and the contact force between the tube and the AVB, c) development of a proper signal processing to compute the fretting-wear work-rate and d) analysis and interpretation of the results. To simplify the model, a straight tube simply supported at both ends and an AVB located at tube mid-span are used. The experimental set-up is instrumented with force sensors and laser sensors that measure the contact force of the tube against the AVB and the displacement of the tube at mid-span. The tube is excited by electromagnets that simulate two-phase cross-flow induced forces using a random narrow band noise of various amplitudes and frequencies.


identifier: Scholz, O. (2012). Une entrée d'air optimisée avec débit moteur ajusté sous la contrainte d'ingestion de couche limite  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le concept de l'avion à aile fusionnée offre la possibilité de positionner les moteurs en arrière de l'avion et selon une configuration classique (avec nacelle et mât réacteur) ou selon une configuration dans laquelle le mât réacteur est supprimé. Dans ce cas, une partie de la couche limite produite par l'aile est ingérée par le moteur. Cette configuration offre plusieurs avantages qui la rendent très intéressante et peut permettre d'augmenter l'efficacité propulsive des moteurs. Cependant, la configuration avec ingestion de couche limite possède des inconvénients majeurs comme la non-uniformité de l'écoulement au sein du diffuseur. L'intégration de la motorisation est donc complexe pour cette configuration à cause du fort couplage qui existe entre l'aérodynamisme de l'avion et le système de propulsion. Le présent mémoire vise à améliorer la compréhension de l'impact de l'ingestion de la couche limite sur l'efficacité du système de propulsion, par le biais d'une étude paramétrique. En particulier, nous étudierons la forme du diffuseur qui permet de diminuer la distorsion de pression totale au niveau de la soufflante et de réduire la consommation de carburant. Ces deux phénomènes sont les principaux facteurs retenus dans la présente recherche et leur évaluation nécessite l'utilisation des analyses à haute-fidélité. Dans un premier temps, cette étude a été réalisée sur une configuration classique (sans mât réacteur) pour être en mesure de comparer la pression de recouvrement, la distorsion et la traînée bélier pour les deux configurations. La présente étude est réalisée sur une aile à section constante, c'est-à-dire sans les effets 3D d'un avion à aile fusionnée. Une paramétrisation du diffuseur a été effectuée afin de pouvoir analyser l'influence qu'ont certains paramètres sur les facteurs retenus. Une boucle d'analyse a ensuite été créée dans le cadre de cette étude, basée sur les plans d'expériences et les surfaces de réponse. Un module thermodynamique a été intégré directement dans le solveur (via les UDF - User Defined Functions) afin de calculer la consommation de carburant.L'analyse des résultats a montré que des longs diffuseurs qui ingèrent moins de couche limite possèdent de meilleures caractéristiques en termes de distorsion et de consommation de carburant.  ABSTRACT: The concept of the Blended-Wing-Body (BWB) offers the possibility of placing the engines at the rear of the plane. Two configurations are possible: one in which the configuration is considered as classical (Pod & Pylon) and a configuration in which the pylon is removed. This configuration has several benefits and could increase the propulsive efficiency of the engines. However, the Boundary Layer Ingestion (BLI) configuration has severe drawbacks, such as the non-uniformity of the flow developing inside the diffuser. The integration of the engines is thus complex due to the tight coupling between the aircraft aerodynamic and the propulsion system. The main objective of this study is to investigate the impact of the boundary layer ingestion on the propulsion system. This is done by conducting a parametric study on the geometric variables in order to look for an inlet which reduces the distortion of total pressure at the fan face and the fuel consumption. These are the main factors retained for this study and their evaluation requires high-fidelity analyses. A parametric study is conducted on the geometric variables of the diffuser in order to reach this objective. This study is conducted first on a pod configuration (without the pylon) in order to compare the pressure recovery, the distortion and the ram drag for both configurations. The present study is conducted on a constant section wing, thus ignoring the 3D effects of the Blended-Wing-Body. A parameterization of the inlet is done in order to analyse the influence of some parameters on the distortion and the fuel consumption. An analysis loop is then created, based on the Design of Experiment methodology together with Response Surfaces. A thermodynamic module is directly integrated into the solver (through the UDF – User Defined Functions) for calculating the fuel consumption. The analysis of the results showed that long diffusers which ingest less boundary layer have better characteristics in terms of distortion and fuel consumption. The present study also shows the large effect of the shape of the inlet on the distortion. A variation of 36% was noticed inside the design space. The variation is smaller for the pressure recovery, the ram drag and the fuel consumption (between 0.75% to 1.2%). The distortion inside the design space is still too high and an acceptable level of distortion can't be reached only by modifying the shape of the diffuser.


identifier: Chou, L. C. (2012). Caractérisation des propriétés mécaniques du remblai minier rocheux cimenté par des méthodes non-destructives  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La sécurité dans l'industrie minière a toujours été une priorité et elle est considérée dans les techniques d'exploitation et dans la conception de la mine. Il existe de nombreux types de remblais qui sont des mélanges de rejet minier avec ou sans liants hydrauliques. Les remblayages sont principalement utilisés dans les chantiers et ils agissent comme un pilier pour soutenir les murs et pour empêcher des ruptures souterraines. Le remblai est également connu pour ses rôles dans la diminution des risques environnementaux et dans l'optimisation de la productivité et de la rentabilité. Les remblais rocheux sont composés de roches variant de fine à grossières et ils peuvent être cimentés ou non. Le remblai a été utilisé pendant près d'un siècle et le plus populaire est le remblai en pâte. Au cours des 30 dernières années, le remblai en pâte a été intensément étudié. Cette technique bien documenté et est appliquée presque à l'échelle globale. Théoriquement, le remblai rocheux cimenté a un potentiel plus grand pour obtenir la résistance optimale visée, mais il est le moins ét dié. Les particules grossières qui composent le remblai rocheux, produit un matériau hétérogène qui complique les analyses en laboratoire et l'obtention de résultats représentatifs. Ce projet met l'accent sur l'analyse de trois différents remblais rocheux cimentés composés des mêmes stériles en utilisant des techniques d'essais non destructifs sur une période de suivi de 90 jours. Les principaux objectifs sont d'établir une relation entre les propriétés physiques et la résistance mécanique par essai de compression uniaxiale (UCS) des spécimens. En parallèle,l'étude permet d'analyser l'évolution des propriétés physiques au cours de la période du suivi, et de proposer une approche pour le suivi in situ de remblai rocheux cimenté à distance. Enfin, le projet doit établir les critères qui indiquent, à partir de l'évolution des propriétés physiques, à quel moment la prise du remblai rocheux cimenté a eu lieu et quand la résistance en compression optimale a été atteinte. Pour atteindre ces objectifs, deux techniques géophysiques (résistivité électrique et ultrasons) sont utilisées pour faire le suivi des propriétés physiques (résistivité électrique et vitesse ultrasonique des ondes), les tests UCS sont effectués pendant et à la fin du suivi, et enfin, les lois de mélange sont appliquées pour estimer les propriétés du remblai cimenté à partir de ses composantes (stérile et pâte).  ABSTRACT: The safety in the mining industries has always been a high priority and it is considered in mining techniques and mine design. Many types of minefill, mixtures of mine waste with or without binder agents, are mainly used to refill empty stopes and to act as a pillar to support the walls and to prevent cave in and mine failure. Minefill also known as mine backfill plays important roles in optimizing productivity and profitability, in decreasing environmental risks and in ground control. The three most common types of minefill used are hydraulic, paste fill and rock fill. The paste fill is a mixture of tailing or fine waste rocks mixed with cement. The hydraulic and rock backfill are composed of coarser rocks and they can be cemented or not. Minefill has been used for almost a century and the most popular is the paste fill. In the last 30 years, the paste fill has been intensely studied and well documented and has reached international application in the last ten years. Theoretically, cemented rock fill can achieve optimum strength resistance, yet it is the least documented or studied. The coarse particles composing the rock fill, produces a heterogeneity material that makes it difficult to perform laboratory analyze and to obtain representative results. This project will focus on analyzing three different cemented rock fill compositions using nondestructive testing techniques over a curing period of 90 days. The main goals are to determine a relationship (or formula) between the physical properties and the mechanical resistance by uniaxial compressive strength (UCS) of the specimens. In parallel, the study can analyze the evolution of the physical properties during the curing period, and suggest an approach for monitoring in-situ backfill remotely. And lastly, the project can help us to interpret when the setting of the cemented rock fill has taken place and when the optimal compressive strength has been achieved.


identifier: Claveau-Mallet, D. (2012). Mining Wastewater Treatment by Slag Filters  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les deux objectifs de ce projet étaient de proposer un système de traitement par filtres à scories du lixiviat de la mine Joplin, Missouri et de proposer un modèle préliminaire des mécanismes de rétention du phosphore dans les filtres à scories. Trois phases expérimentales ont été réalisées : essais individuels en flacon, essais séquentiels en flacon et essais en colonnes. Les essais individuels en flacon ont été utilisés pour comparer la performance de traitement de 10 scories et 1 apatite et pour choisir les meilleurs matériaux parmi ceux-ci. Les essais séquentiels en flacon ont été utilisés pour comparer les performances de traitement de quelques séquences de filtres. Finalement, les essais en colonnes ont été utilisés pour caractériser la performance d'enlèvement et la longévité d'un filtre soumis à des conditions d'alimentation contrôlées. Durant les essais en colonnes, l'effet de la composition de l'affluent, du temps de rétention hydraulique des vides et de la séquence de filtre a été mesuré. Certains essais en colonnes ont été opérés spécifiquement pour étudier les mécanismes d'enlèvement du phosphore. Le modèle proposé est défini par les étapes suivantes : 1) la dissolution cinétique des scories est représentée par la dissolution de CaO, 2) un fort pH dans le filtre cause la précipitation du phosphore et la croissance de cristaux, 3) la rétention des cristaux est causée par filtration, décantation et densification, 4) la diminution du volume de réaction (et du temps de réaction) disponible est causée par l'accumulation de cristaux et autres particules dans les vides, 5) le pH dans le filtre diminue avec le temps si le temps de réaction est trop court (ce qui résulte en une diminution de l'efficacité d'enlèvement). Une nouvelle approche pour définir les performances des filtres à scories est proposée. La capacité de rétention à saturation est exprimée en mg P / mL de vides. Le système proposé pour traiter le lixiviat de la mine Joplin est composé de deux filtres successifs de scories EAF Fort Smith opérés à un temps de rétention hydraulique des vides total de 34 h. Après 179 jours d'opération, les performances de traitement des deux filtres ont été de 99.9 %, 85.3 %, 98.0 % et 99.3 % pour le phosphore, le fluor, le manganèse et le zinc, respectivement.  ABSTRACT: The two objectives of this project were to propose a slag filters treatment system for the leachate of the Joplin mine, Missouri, and propose a preliminary model for phosphorus removal mechanisms in slag filters. Three experimental phases were realized: individual batch tests, sequential batch tests and column tests. Individual batch tests were used to compare the treatment performance of 10 slags and 1 apatite and to select the best materials from this list. Sequential batch tests were used to compare the treatment performance of several filter sequences. Finally, column tests were used to characterize the removal performance and longevity of controlled filters. During column tests, the effect of influent composition, void hydraulic retention time and filter sequences was measured. Some column tests were operated especially for the study of phosphorus removal mechanisms. The proposed model is expressed by the following steps: 1) the rate limiting dissolution of slag is represented by the dissolution of CaO, 2) a high pH in the slag filter results in phosphorus precipitation and crystal growth, 3) crystal retention takes place by filtration, settling and growth densification, 4) the decrease in available reaction volume is caused by crystal and other particulate matter accumulation (and an associated decrease in available reaction time), and 5) the pH decreases in the filter over time if the reaction time is too short (which results in a reduced removal efficiency). A new approach to define filter performance is proposed. Saturation retention capacity is expressed in units of mg P/ mL voids. The proposed system for the treatment of the Joplin mine leachate is composed of two successive Fort Smith EAF slag filters operated at a total void hydraulic retention time of 34 hours. After 179 days of operation, the treatment performance of this system was 99.9 %, 85.3 %, 98.0 % et 99.3 % for phosphorus, fluoride, manganese and zinc respectively.


identifier: Séguin-Tremblay, N. (2012). Élaboration et test d'un protocole d'évaluation subjective du confort de sièges d'avion pour passagers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette recherche vise à réaliser l'évaluation subjective du confort d'un siège passager pour avion dans le cadre d'un processus de conception itératif centré sur l'usager. Les résultats de ce type d'évaluation servent à guider les concepteurs en identifiant les caractéristiques du siège les plus importantes pour l'usager en termes de confort. Tout d'abord, une revue de littérature permet de donner une définition du concept de confort en général et plus particulièrement dans le cas des sièges, puis de passer en revue différentes méthodes d'évaluation du confort d'un siège. Cette revue de littérature nous guide aussi dans l'élaboration d'un protocole d'évaluation subjective du confort des sièges passagers ainsi que d'un questionnaire servant au recueil de données. Dans le cas du protocole d'évaluation, les références consultées nous aident à déterminer les paramètres liés au contexte d'évaluation, aux tâches réalisées par les sujets ainsi qu'à la durée de chacune de ces tâches. Dans le cas du questionnaire, les références nous guident sur sa structure et son contenu. Ainsi, on choisit d'évaluer séparément le confort et l'inconfort. On recueille aussi les impressions de confort et d'inconfort des sujets à plusieurs moments. Le confort est donc évalué par les sujets en fonction de leur première impression, leur impression finale, leur expérience globale ainsi que pendant la réalisation des tâches. L'inconfort est évalué avant et pendant la réalisation des tâches. Nous réalisons par la suite des tests en utilisant le protocole d'évaluation et le questionnaire lors de six séances comprenant chacune trois sujets, pour un total de 18 sujets. Ces tests ont lieu dans une maquette statique, de taille réelle, d'une cabine d'avion pour passagers de marque Bombardier CSeries.  Une analyse des données de tous les questionnaires nous permet de tirer des conclusions concernant la première impression ainsi que l'impression finale et l'expérience globale de confort des sujets. De plus, cette analyse nous permet d'identifier les commentaires les plus importants selon leur répétition et leur degré de sévérité d'inconfort. Finalement, un tableau résumé de l'analyse des données permet de relier les commentaires à la fois positifs et négatifs sur le confort aux composantes et attributs du siège et de les classer en fonction de leur importance. Ce tableau devrait guider les concepteurs dans le choix des modifications prioritaires à apporter au siège afin d'en améliorer le confort.» «  ABSTRACT: The goal of this research is to conduct the subjective evaluation of an airplane passenger seat in the framework of a user centered iterative design process. The results of this type of evaluation are used to guide the designers by identifying the seat characteristics that are most important to the user in relation to comfort.  First, a survey of the literature allows us to define the concept of comfort in general and in particular in the case of seats. It also gives an overview of different methods for assessing the comfort of a seat. This literature survey also guides us in developing a protocol for conducting the subjective evaluation of an airplane passenger seat and also for developing a questionnaire used as a data collection tool. In the case of the protocol, the references consulted help us to determine the parameters related to the evaluation context, the tasks performed by the subjects and the duration of each task. The scientific literature also guides us to elaborate the questionnaire's structure and content. Thus, the questionnaire evaluates comfort and discomfort separately. It also collects impressions of comfort and discomfort of the subjects at several points in time. The comfort is evaluated by the subjects according to their first impression, final impression, overall experience and during the tasks. The discomfort is evaluated before and during the tasks. Then we conduct tests using the evaluation protocol and the questionnaire during six sessions, each comprising three subjects, for a total of 18 subjects. These tests are conducted in an actual size, static model, of a Bombardier CSeries airplane passenger cabin. An analysis of the data from all questionnaires allows us to draw general conclusions regarding the first and final impressions and the overall experience of comfort of the seat. In addition, this analysis identifies the most important comments based on their repetition by different subjects and by the severity of discomfort.  Finally, a summary table of the data analysis links both positive and negative comments on comfort, to components and attributes of the seat and classifies them according to their importance. This table should guide designers in establishing which changes to the seat should be prioritized in order to improve comfort.


identifier: Pigeon, B. (2012). Étude du bruit de procédé et de mesure pour des systèmes avec contrôleurs commutants dans un cadre scalaire et stationnaire  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les procédés chimiques sont constamment soumis à la variabilité des conditions d'opération, par exemple: la concentration des réactifs, l'activité des catalyseurs, etc. Il en résulte que les produits de ces réactions exhibent une certaine variabilité. Cette variabilité a un coût puisque si les caractéristiques d'un produit dépassent certaines contraintes, il devient un risque litigieux s'il est vendu au client. Une des façons de calculer le coût de la variabilité implique l'utilisation des fonctions de densité de probabilité(FDP). Dans un autre ordre d'idées, les contrôleurs commutants sont fréquemment utilisés dans l'industrie pour des scénarios où il y a une contrainte à ne pas dépasser. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est l'analyse des FDP produites par des contrôleurs commutants avec des procédés bruités. Le premier objectif a été de développer une expression analytique de la FDP d'un système bruité avec un contrôleur commutant avec l'aide de l'équation de Fokker-Planck-Kolmogorov (FPK). Cette expression analytique a été ensuite appliquée à un exemple de formage de FDP. Ainsi, deux types de non-linéarités ont pu être comparés. Il en résulte que le contrôleur commutant est plus robuste qu'un contrôleur polynomial (où la variable manipulée est une fonction polynômiale de l'écart entre le point de consigne et l'état), mais il ne peut émuler des FDP complexes (comme des bimodales). Le deuxième objectif a été d'obtenir une expression analytique d'un contrôleur commutant pour un système avec bruit de mesure. La difficulté du problème réside dans le fait que le bruit de mesure entre de façon non linéaire dans le système. Par conséquent, l'équation de FPK ne peut être utilisée directement. Il a fallu développer une nouvelle méthode analogue à une approximation de Taylor, mais stochastique. Ce qui donne une expression analytique qui doit être résolue numériquement, diminuant considérablement le temps pour obtenir une FDP comparé au temps d'une simulation de Monte-Carlo. Cette expression analytique a été validée et il a été possible d'analyser certains effets du système sur la FDP, le plus important étant que le bruit de mesure avec un contrôleur non linéaire induit une translation de la FDP.  Le troisième objectif est d'analyser l'optimalité d'une FDP asymétrique face à une FDP symétrique. Il a été plutôt prouvé qu'une FDP symétrique n'est pas optimale sous certaines conditions. Cela veut dire que sous certaines conditions, un contrôleur non linéaire asymétrique va donner de meilleurs résultats qu'un contrôleur symétrique. Ces trois conditions sont la présence de bruit de procédé, l'asymétrie de la fonction coût et la présence de la variable manipulée dans la fonction à minimiser. Si une de ces conditions n'est pas respectée, alors  le contrôleur symétrique redevient optimal. Le quatrième objectif est l'extension du troisième objectif avec du bruit de mesure. Le problème est que l'expression analytique n'est pas intégrable comme dans le cas précédent. Alors, seulement les résultats des résolutions numériques des expressions développées sont utilisées. Ceux-ci ont permis d'affirmer que ces mêmes conditions sont valables quand il y a du bruit de mesure. Cependant, l'utilisation d'un contrôleur asymétrique est moins avantageuse quand le bruit de mesure est élevé. Par la suite, l'optimalité du système a été testée sans la condition sur la variable manipulée. Il a été observé que le contrôleur asymétrique est optimal seulement s'il est possible qu'un des deux gains soit supérieur au gain à variance minimale, ce qui va à l'encontre des théorèmes mathématiques développés à propos de la variance minimale. Cela montre les limites de l'approximation développée. En conclusion, il a été possible de développer une expression analytique de la forme de la FDP d'un système avec un contrôleur commutant, et ce pour les cas sans et avec bruit de mesure. De plus, il a été possible de poser les conditions sous lesquelles un contrôleur asymétrique est optimal.  ABSTRACT: Chemical processes are constantly submitted to the variability of the operating conditions, for example: reactants concentration, activity of the catalysts. It results that the reactions products also show variability. This variability has a cost since if the product concentration violates certain constraints, it becomes a litigious risk if it is sold to the customer. One of the methods to calculate the cost of variability necessitate the utilization of the probability density function (PDF). Switching controllers are used in the industry in scenarios where there are constraints to satisfy. Consequently, the objective of this thesis is the analysis of PDF produced by switching controllers with noisy processes. The first objective is to develop an analytical expression  for a PDF of a system with process noise  and a switching controller. It has been obtained with the Fokker-Planck-Kolmogorov(FPK) equation. This expression has been applied to an example of PDF shaping. Therefore, two types of non linearity were compared . It has came to light that the switching controller is more robust than a polynomial controller (where the manipulated variable is a function of a polynomial expression of the error), but it has difficulties to emulate complex PDF like a bimodal PDF.  The second objective is to develop an analytical expression for a switching controller and a process and measurement noise. The difficulty of the problem comes from the fact that the measurement noise enters the system nonlinearly, meaning that the FPK equation cannot be used directly. It has been necessary to develop a method which is analog to the Taylor approximation but in a stochastic context. An analytical expression has been obtained, but it it has to be resolved numerically. It reduces considerably the computing time to obtain a PDF compared to the Monte-Carlo method. The analytical expression has been validated and it has been possible to analyze certain effects of the system on the PDF. The most important is that the measurement noise and a nonlinear controller will induce a translation of the PDF. The third objective is to analyze the optimality of an asymmetrical PDF vis-à-vis the a symmetrical one. It has been proved that, under certain conditions, a symmetrical PDF is not optimal, which means that under those same conditions, an asymmetrical controller will give better results than a symmetrical one. Those conditions are the presence of process noise, an asymmetrical cost function and this cost function has to take account of the manipulated variable. If one of those condition is absent, the symmetrical controller remains optimal.  The fourth objective is the extension of the previous results to the case with measurement noise. The problem is that there was no analytical expression that could be used as previously. So, numerical solutions were used. They have allowed to affirm that the three conditions are also valid with measurement noise, but the measurement noise decrease the economical difference with the symmetrical controller. After, the manipulated variable has been removed to see if the switching controller remains optimal. It has been observed that the asymmetrical controller remains optimal only if one the the gain is higher than the minimum variance gain. Which goes against the minimum variance theory and shows the limits of the developed approach.  In conclusion, it has been possible to develop an analytical expression of the shape of the PDF of a system with a switching controller, and this for the cases with and without measurement noise. It has been possible to obtain see the effects of the measurement noise like the shift, and also to pose conditions under a switching controller is optimal vis-à-vis a constant controller.


identifier: Lebel, F. (2012). Contrôle de la fabrication des composites par injection sur renforts  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les procédés de mise en forme des composites par injection sur renforts (LCM) sont de plus en plus utilisés pour fabriquer des composites à haute performance. Lors d'une mise en oeuvre par les procédés LCM, le renfort fibreux sec est tout d'abord drapé à l'intérieur d'un moule. Après la fermeture du moule ou le recouvrement du renfort par une membrane, une résine polymère est injectée ou infusée sous vide à travers le renfort. Les renforts fibreux couramment utilisés dans les procédés LCM possèdent généralement une structure à porosité bimodale: des pores microscopiques existent entre les filaments dans les mèches de fibres, tandis que des pores macroscopiques sont créés entre les mèches suite à la couture ou au tissage du tissu. À l'échelle microscopique, les forces capillaires à l'intérieur des mèches fibreuses jouent un rôle majeur sur la qualité des composites fabriqués par injection de résine. En effet, les forces capillaires régissent l'apparition de défauts d'imprégnation du renfort par emprisonnement d'air. Ces défauts sont critiques car ils ont un impact négatif sur les performances mécaniques des pièces composites au cours de leur vie en service. Toutefois, très peu de données expérimentales sont disponibles sur la formation de ces défauts microscopiques et macroscopiques. De telles données seraient utiles pour les ingénieurs qui veulent accroître l'efficacité, la productivité et la robustesse des procédés d'injection sur renforts. Par conséquent, une approche expérimentale multi-échelle est présentée dans cette thèse afin de mieux comprendre la physique fondamentale des phénomènes d'imprégnation et d'emprisonnement d'air dans les renforts fibreux à porosité bimodale et ainsi proposer des solutions pratiques pour les ingénieurs en contrôle de procédé. Dans un premier temps, un montage est développé pour étudier la saturation des renforts fibreux à l'échelle macroscopique, durant le moulage des composites par transfert de résine (RTM). Ce montage permet de déterminer les paramètres qui gouvernent la qualité de l'imprégnation des renforts fibreux lors de l'étape du remplissage et pendant les stratégies industrielles de post-remplissage (purge du moule et consolidation). Ces paramètres sont identifiés à l'aide de trois plans d'expérience. Il s'agit de la vitesse d'avancée du front de résine, de la pression appliquée aux ports d'injection et du débit d'écoulement de la résine lors de la purge du moule. L'analyse effectuée dans ces plans d'expérience s'appuie sur une procédure ASTM standard de détermination de la teneur en vides dans les pièces composites par carbonisation.  ABSTRACT: Liquid Composite Molding (LCM) is an increasingly used class of processes to manufacture high performance composites. In LCM, the fibrous reinforcement is first laid in a mold cavity. After closure of the mold or covering of reinforcement with a plastic bag, a polymer resin is either injected or infused under vacuum through the fiber bed. The engineering fabrics commonly used in LCM possess generally dual scale architecture in terms of porosity: microscopic pores exist between the filaments in the fiber tows, while macroscopic pores appear between the tows as a result of the stitching/weaving fabrication process. On a microscopic scale, capillary flows in fiber tows play a major role on the impregnation quality of composites made by resin injection through fibrous reinforcements. Indeed, the capillary forces control the formation of impregnation defects in the fibrous reinforcement as a result of mechanical air entrapment. These defects are critical because they have a negative impact on the mechanical performance of composite parts during their operating life. However, very little experimental data are available in the literature on the formation of these microscopic and macroscopic impregnation defects. Such data would be useful for process engineers that want to increase efficiency, productivity and robustness of LCM processes. Therefore, a multiscale study is presented in this thesis in order to better understand the fundamental physics of impregnation and air entrapment phenomena in dual scale fibrous reinforcements and thus propose practical solutions for process control engineers. First of all, an experimental setup is developed to study the saturation of fibrous reinforcements, at the macroscopic scale, during the Resin Transfer Molding (RTM).This setup is used to determine some key parameters of the part filling step and industrial post-filling strategies (mold bleeding and consolidation) that control the impregnation quality of fibrous reinforcements. These key parameters are identified using three series of experiments. These parameters are the flow front velocity, the inlet mold pressure and the bleeding flow rate. The analyses in these three series of experiments are based on an ASTM standard procedure for void content determination in the composite parts by carbonization (also called loss on ignition (LOI)).


identifier: Koanda, M. M. L. (2012). Optimisation des propriétés physiques d'un composite carbone époxy fabriqué par le procédé RFI  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le procédé d'infusion de film de résine (RFI) est un procédé de fabrication de matériaux composites. Surtout connu pour le peu d'investissement qu'il requiert, le procédé RFI est de plus en plus utilisé dans le milieu aéronautique. Cependant, nombre d'aspects de ce procédé sont très peu maîtrisés. En général, la qualité physique de la pièce finale dépend du procédé utilisé. Pour le cas du RFI, le contrôle des caractéristiques physiques que sont les épaisseurs,le taux de fibres et le taux de vide restent de gros enjeux. Ce mémoire présente l'optimisation des propriétés physiques d'un composite carbone époxy fabriqué par procédés RFI. Les normes ASTMD3171, ET ASTMD792 ont été utilisées pour la mesure de taux de vide, et de fibres. Nous avons tout d'abord introduit des modes de drapage dans le procédé RFI et évalué leurs impacts sur les propriétés physiques du produit fini. Les résultats des expériences montrent que le mode primaire A, avec les films de résine en bas permet d'avoir des pièces de bien meilleure qualité, avec des épaisseurs, des taux de vitres et vide contrôlés. Le mode primaire B (films dans le plan symétrique du laminé) donne des résultats identiques au mode A à l'exception des épaisseurs qui sont plus irrégulières et de faibles taux de fibres Vf. Le mode primaire C (films symétriques dans le laminé) crée localement des taux de vide inacceptable. Le mode primaire D (films de résine en surface du laminé) présente des résultats bien meilleurs que A, mais à l'exception des épaisseurs qui sont plus irrégulières par rapport à A. L'ajout de gaps et overlaps de film de résine au-delà de 2.54cm (1") devient nuisible aux propriétés physiques, et est déconseillé. Une observation au C-scan permet d'attibuer la majorité des défauts aux overlaps de résine. Enfin, nous avons analysé le cycle de cuisson à la lumière de modèles de porosités thermo-dynamiques. Il apparaît qu'au niveau des porosités, le phénomène de diffusion est essentiel dans ce procédé. Un meilleur conditionnement du film de résine produit par Cytec pourrait être efficace. Un design optimal avec brisure de cycle et retard de pression nous a permis d'avoir un cycle de cuisson optimal pour le procédé RFI.  ABSTRACT: The RFI (Resin Film Infusion) process is a composite materials manufacturing process. Especially known for the small investment it requires, RFI processes are more and more widely used in the aeronautical industry. However a number of aspects of this process are still not well controlled. The quality of the final part depends on which process is used. In the case of RFI, controlling physical characteristics such as thickness, fiber volume fraction or void content remains a major challenge. This dissertation deals with the optimization of the physical properties of a carbon composite manufactured with RFI processes. The ASTMD3171 and ASTMD792 standards were used to measure the void content and fiber volume fraction. First, we introduced different layup sequences in the RFI process and evaluate their impact on the physical properties of the final product. The experiments show the primary mode A, with the resin film at the bottom, resulting in much better quality with controlled fiber volume fraction and void content. Mode B (film in the symmetrical plane) yields results identical to mode A except more irregular thicknesses. Mode C (symmetrical film in the laminate) produces locally unacceptable void contents. Mode D (resin film on the top of the laminate) yields much better results than mode A with the exception of the more irregular thicknesses. Making gaps and overlaps with the resin film has negative effects beyond 2.54cm (one inch) and should be avoided. Several C-scan observations of the manufactured samples showed a large accumulation of porosity in the resin rich areas, as well as surface defects. Ultimately we analyzed the cure cycle in light of the thermodynamic porosity models. It is evident that the diffusion phenomenon is essential in this process. Therefore a better conditioning of the resin film made by Cytec is required. An optimal design with a cycle stop and pressure lag yields the optimal cure cycle for the RFI process.


identifier: Carlier, M. (2012). Modèle intégral axisymétrique pour le calcul des pertes AC dans les bobinages supraconducteurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de ce mémoire est de développer un modèle numérique précis et rapide qui permette de déterminer la distribution de courant et/ou des champs magnétiques dans les bobinages supraconducteurs, notamment pour aider à la conception de transformateurs supraconducteurs. Ce modèle doit donc être capable de déterminer la distribution de la densité de courant et les pertes en régime alternatif (par la suite appelées pertes AC) dans les rubans supraconducteurs constituant la bobine simulée. En effet, il n'existe pas encore de modèle numérique efficace et suffisamment rapide qui résolve les pertes AC de bobinages supraconducteurs comportant un grand nombre de tours, de l'ordre de 100 à 1000. Or depuis la découverte des matériaux supraconducteurs dits à haute température critique (HT_c) en 1986, la recherche dans le domaine de la supraconductivité ne cesse d'évoluer, et leur utilisation dans les appareillages électrotechniques devient de plus en plus réalisable et même avantageux. En effet, non seulement les transformateurs supraconducteurs ont un rendement supérieur à celui des transformateurs conventionnels, mais ils occupent un espace physique beaucoup plus réduit par rapport aux transformateurs conventionnels (réduction de l'ordre de 30% en taille et en masse). Cependant, de nouveaux outils de conception doivent devenir disponibles afin de diminuer les coûts de fabrication des prototypes (en optimisant l'utilisation du supraconducteur) et ainsi assurer le développement des appareillages supraconducteurs. La résistivité fortement non-linéaire des matériaux supraconducteurs et le grand nombre de tours présents dans un bobinage réel rend cette tâche difficile avec les outils de conception existants. En particulier, les logiciels d'éléments finis commerciaux ne sont pas du tout adaptés à cette tâche. Dans le contexte de ce mémoire, afin de trouver la distribution de courant et les pertes AC dans les rubans supraconducteurs d'une bobine, nous proposons une variation d'une méthode numérique développée par Fréderic Sirois et son équipe. Le développement du modèle est fait sur Matlab et l'équation de base du modèle, à partir de laquelle la résolution de la distribution du courant est effectuée, est l'équation des courants de Foucault sous forme intégrale en basses fréquences (i.e. le terme de courant de déplacement est négligé).  ABSTRACT: The goal of this Master's thesis is to develop an accurate and a fast numerical model to solve current distribution and/or magnetic fields in superconductor windings, and especially to improve the conception of superconducting transformers.  The model must be able to determine current distribution and alternative current losses (called AC losses) in the superconducting tapes of the simulated winding. Indeed, efficient and fast numerical models that compute AC losses of a superconducting winding with a large number of turns (10 to 1000 turns) do not exist yet. However, since the discovery of high temperature superconductors (HTS) in 1986, research in the superconductivity field never stopped evolving and the use of these materials in power devices becomes more and more realistic and even advantageous. Indeed, superconducting transformers have a greater efficiency than conventional transformers and are much more compact (about 30% smaller in terms of size and weight compared to conventional ones). Yet, new conception tools are required in order to reduce the cost of prototypes (by optimizing the use of superconductors) and thus, ensure the development of superconducting devices. The highly non-linear resistivity of superconductor materials and the large number of turns of real windings make the task challenging with the existing conception tools. In particular, commercial finite element software packages are not adapted to this task. In this Master's thesis, in order to find the current distribution and the AC losses in superconducting tapes of a winding, we present a variation of a numerical method developed by my research supervisor Frederic Sirois and his team. The model was developped in Matlab environment and the main equation of the model, from which the solution of the current distribution is found consist of the integral form of the eddy current equation at low frequency (i.e. displacement current neglected). All the superconducting tapes are discretized in elements in which the current distribution is uniform. In the problem formulation, the Biot-Savart integral equation is used in order to establish a direct relationship between the current density and the vector potential. Moreover, in order to compute the AC losses of a winding with a large number of turns within an acceptable time, we introduce in this Master's thesis a new approximation method called “far tape approximation”. The idea behind it is to reduce the size of the problem by using different discretization for each tape of the winding.


identifier: L.-Bolduc, F. (2012). Une étude sur l'utilisation des roches stériles comme inclusions drainantes dans les résidus miniers  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'industrie minière génère de grandes quantités de rejets solides tels les roches stériles et les rejets de concentrateur. La gestion sécuritaire de ces rejets est un enjeu important. Les roches stériles sont typiquement entreposées dans des haldes alors que les résidus issus du traitement du minerai sont pompés sous forme de boue à l'intérieur du parc à résidus qui est ceinturé de digues. Ces résidus lâches et saturés, à granulométrie fine, se consolident lentement sous leur propre poids, ce qui augmente leur densité et leur résistance. Pour réduire les risques de nature géotechnique reliés à l'entreposage de surface des résidus miniers, on peut modifier le design des bassins en y ajoutant des inclusions drainantes composées de roches stériles à granulométrie grossière. Cette technique engendre plusieurs avantages, incluant l'accélération de la consolidation des résidus miniers fins. Les inclusions drainantes offrent un chemin de drainage préférentiel pour la dissipation des pressions d'eau en excès puisque leur conductivité hydraulique est plus de 100 fois supérieure à celle des résidus en raison de leur granulométrie grossière très étalée. Cela permet d'augmenter plus rapidement le degré de consolidation et la résistance des résidus et ainsi réduire les risques géotechniques. Cette technique de codisposition est un nouveau domaine de recherche. Des travaux récents de modélisation conceptuelle ainsi que des essais sur table sismique avec des inclusions de sable ont démontré la validité du concept. L'objectif de ce projet est de poursuivre ces travaux en abordant l'effet des inclusions de roches stériles sur la consolidation des résidus miniers en se basant sur un cas réel. Un programme d'essais a été mené pour caractériser les propriétés des résidus et des stériles provenant de la mine Osisko située à Malartic, au Québec. Ces propriétés ont ensuite été utilisées pour simuler l'influence d'inclusions drainantes ajoutées dans un parc à résidus. Cette analyse permet de dégager les éléments importants qui affectent la consolidation de résidus miniers à proximité d'inclusions drainantes.  ABSTRACT: The mining industry generates large quantity of waste materials such as waste rock and tailings. Those by-products may potentially be harmful to the environment and need to be safely contained. Waste rock is conventionally stored in piles on the surface while the tailings produced by the milling facilities are pumped as slurry inside an impoundment surrounded by dikes. Such saturated tailings tend to consolidate under their own weight after their deposition, increasing their density and resistance with time. Mine tailings can be problematic to manage as they contain a high proportion of fine particles, which give them complex geotechnical properties that can lead to dike failure in extreme cases. The design of a tailings impoundment can be modified to reduce the geotechnical risks by placing inclusions of coarse grained waste rock inside the pond. This technique offers many advantages such as increasing the consolidation rate of fine tailings. The inclusions of waste rock offer preferential drainage pathways to dissipate the excess pore water pressure inside the impoundment, as their saturated hydraulic conductivity is 100 to 1000 higher than that of tailings due to their coarser grain size. This phenomenon increases the consolidation rates and the resistance of the tailings, thus decreasing geotechnical risks. The co-disposition of waste rock and tailings is a recent research domain. Previous work on tailings tested on a seismic table and conceptual numerical modeling with simplified material properties has demonstrated the validity of this concept. The objective of this research project was to investigate the effects of waste rock inclusions on the consolidation of tailings using data coming from an actual mine site. Tailings and waste rock samples were obtained from the Osisko Malartic mine located in the province of Quebec, and characterized in the laboratory. The measured properties were used to simulate the use of waste rock inclusions in a tailings impoundment. This analysis increases our understanding of the parameters affecting the consolidation of tailings near a waste rock inclusion.


identifier: Beaudette, K. (2012). Tomographie par cohérence optique pour le guidage de chirurgies minimalement invasives du rachis  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique adolescente est une déformation tridimensionnelle complexe de la colonne vertébrale nécessitant une intervention chirurgicale pour les courbures sévères. Les méthodes chirurgicales actuellement utilisées sont très invasives; elles requièrent une large incision, une instrumentation massive en plus de la fusion d'une section de la colonne. Afin d'améliorer les conditions postopératoires et de préserver la flexibilité des patients scoliotiques, de nouvelles approches chirurgicales sans fusion osseuse faisant plutôt appel à la modulation de la croissance ont été développées récemment. Dans cette veine, une équipe multidisciplinaire de l'École Polytechnique de Montréal et du Centre de recherche du CHU Sainte-Justine développe actuellement une technique basée sur l'insertion de micro-agrafes entre la plaque de croissance de la vertèbre et le disque intervertébral. Ce dispositif permet de moduler passivement la croissance des vertèbres du côté convexe de la courbure scoliotique. Cette modulation modifie alors la géométrie des vertèbres qui, chez les patients scoliotiques, présente une cunéiformisation. La modulation induite par ces dispositifs permettrait alors de corriger la courbure de la colonne. Cette technique innovatrice permettrait de préserver la flexibilité de la colonne et la santé du disque intervertébral en plus d'être compatible avec des approches minimalement invasives. Pour être efficaces, les micro-agrafes doivent néanmoins être positionnées avec une précision sous-millimétrique à l'interface entre la plaque de croissance et le disque intervertébral. Un guidage peropératoire en temps réel est ainsi nécessaire au succès de ce type d'intervention. La tomographie par cohérence optique (OCT) est un bon candidat pour cette application. L'OCT se base sur une technique d'interférométrie à faible cohérence afin de fournir des coupes transversales d'une dizaine de micromètres de résolution sur 2 à 3 mm en profondeur. Cette technique présente une acquisition en temps réel et est compatible avec l'endoscopie, démontrant ainsi un potentiel intéressant pour le guidage peropératoire de chirurgies minimalement invasives (MIS) de la colonne. L'objectif général de ce projet de maîtrise est donc d'évaluer la capacité de l'OCT à localiser et identifier les structures rachidiennes (plaque de croissances, tissu osseux, disques intervertébraux et tissu conjonctif) ainsi qu'à guider l'implantation de micro-agrafes. Pour ce faire, une sonde OCT respectant les contraintes chirurgicales d'une MIS effectuée par thoracoscopie (via le thorax) a été conçue et développée. Cette sonde présente un diamètre externe de 17 mm et fait 30 cm de long. Couplée à un interféromètre fibré, la sonde permet des  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis is a complex 3D deformity of the spine which requires surgical intervention in severe cases of the condition. The existing corrective procedure of scoliosis is very invasive; it involves a long incision and a large instrumentation, in addition to the fusion of a section of the spine. To improve postoperative conditions and to preserve patients' spinal flexibility, novel fusionless surgical approaches involving growth modulation are under investigation. With this objective in mind, a multidisciplinary team from École Polytechnique of Montreal and Sainte-Justine University Hospital Research Center is developing a surgical technique based on the insertion of micro-staples between vertebral growth plates and corresponding intervertebral disks. Each micro-staple passively modulates the vertebral growth on the convex side of the scoliotic curvature. This modulation modifies vertebral geometry which, for scoliotic patients, presents a wedging deformity. The modulation induced by these devices could lead to the correction of the curvature of the spine. This innovative procedure would preserve the flexibility of the spine as well as the health of intervertebral disks, in addition to being compatible with minimally invasive approaches. However, to be efficient, the micro-staples must be placed at the junction between the growth plate and the disk with a sub-millimeter precision. An intraoperative guiding system is therefore required to ensure the success of the intervention. Optical coherence tomography (OCT) is a promising candidate for this application. OCT is based on low-coherence interferometry and provides cross-sectional images with a resolution about 10 μm for a depth of 2 to 3 mm. This technique allows for the real-time acquisition of images and is compatible with endoscopy, thereby showing a potential for the intraoperative guidance of minimally invasive surgeries (MIS) of the spine. The main objective of this master's project is therefore to evaluate the possibility of using OCT to localize as well as identify spinal structures (such as growth plates, osseous tissue, intervertebral disks and connective tissue) and to guide the insertion of micro-staples. To attain this objective, an OCT handheld probe was designed and developed according to the surgical constraints of MIS performed by thoracoscopy (through the thorax). This probe has an external diameter of 17 mm and is 30 cm long. Coupled with a fibered interferometer, the axial and lateral resolutions of the probe are of 16 and 27 μm respectively. The OCT probe was