identifier: Maghsoudi, E. (2015). Biodegradation and Adsorption of Selected Cyanobacterial Toxins in Aquatic Environments  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'occurrence d'importantes proliférations de cyanobactéries est devenue de plus en plus fréquente dans les sources d'eau potable à travers le monde. Ces proliférations s'accompagnent de relargage de toxines qui sont nuisibles à la population aquatique et qui peuvent aussi causer un problème de santé publique. Dans l'optique de réduire ces effets néfastes, il s'avère nécessaire de bien comprendre le devenir et les mécanismes d'élimination de ces toxines qui se retrouvent dans l'eau brute à traiter. La biodégradation et l'adsorption par les sédiments sont deux mécanismes qui contribuent à l'élimination des métabolites produits par les cyanobactéries. La biodégradation par les bactéries indigènes est considéré comme le mécanisme dominant pour la réduction des toxines produites lors d'une prolifération de cyanobactéries. Étant considéré comme une importante source de polluants, les sédiments jouent un rôle important dans le devenir des cyanotoxines. Durant un événement de bloom de cyanobactéries, le principal objectif est l'élimination des toxines qui se retrouvent dans l'eau brute à traiter. En effet, une insuffisance du traitement ou une défaillance dans la chaine de traitement conduit assez souvent à des concentrations en toxines supérieures aux concentrations maximales acceptables. La présence de toxines dans l'eau brute est une préoccupation majeure dans la mesure où de fortes concentrations de toxines intracellulaires peuvent être enregistrées. Ce qui justifie tout l'intérêt à porter sur l'étude des mécanismes de dégradation des toxines produites lors d'un bloom de cyanobactéries.  ABSTRACT: The occurrence of toxic cyanobacteria blooms in water bodies has been increasing throughout the world and is of concern because of the public health risk for drinking water sources and recreational waters. To reduce the negative consequences of cyanotoxins, mechanisms involved in their fate and elimination in both drinking water sources and DWTPs need to be investigated thoroughly. Biodegradation and adsorption onto sediment are two mechanisms which contribute to the elimination of cyanobacteria metabolites from the aquatic phase. Biodegradation by indigenous bacteria has been considered as one of the dominant mechanisms that reduce the concentration of cyanotoxins in drinking water sources experiencing a bloom of cyanobacteria. Sediments as the important sources of environmental pollutants also play a critical role in fate of cyanobacteria toxins. During a bloom of cyanobacteria in drinking water sources, the effective removal of cyanobacterial toxins entering the DWTPs is a primary objective of treatment. However, it also constitutes a concern because of the potential for accumulation of extreme concentrations of intracellular toxins. Hence, degradation processes contributing to toxin removal in drinking water treatment need to received greater attention.


identifier: Berezhetska, O. (2015). Développement d'une méthode de fonctionnalisation de polymère conducteur (PEDOT:PSS) pour le greffage de protéines  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les polymères conducteurs sont très utilisés dans le domaine de la bioélectronique. Il existe donc un besoin de développer de nouvelles méthodes pour intégrer la composante biologique à ces dispositifs électroniques. Plusieurs méthodes de modification de polymères conducteurs basées sur le greffage covalent de molécules biologiques induisent une diminution problématique de la conductivité. Notre objectif est de développer une méthode de greffage covalent de protéines sans influencer la conductivité et la stabilité du polymère conducteur commercial le plus utilisé, à savoir, le PEDOT:PSS. Pour atteindre cet objectif, nous avons employé la stratégie suivante: les couches minces de PEDOT:PSS on été fabriquées par l'enduction centrifuge; la conductivité a été évaluée en utilisant la méthode des quatre pointes et la profilométrie; la caractérisation du greffage d'une protéine modèle (anticorps) a été réalisée par ELISA. Le greffage des anticorps a été effectué via les groupements carboxyles du dextrane carboxymethylé 500 kDa (CMD), préalablement incorporé au film du PEDOT:PSS en concentration 0,1 % (w/v). L'agent que nous avons employé pour augmenter la conductivité du film (glycérol) a eu une influence négative sur l'efficacité de ce greffage. Un pontage covalent (cross-linking) avec du glycidoxypropyltrimethoxysilane (GOPS) a été proposé pour augmenter la stabilité du film et limiter l'effet négatif du glycérol. Le GOPS a permis d'améliorer drastiquement la stabilité du film de PEDOT:PSS/DCM sans pertes importants en conductivité. L'épaisseur des couches minces (150±10 nm) était stable lorsque plongées dans diverses solutions aqueuses (pH 5-7). Après la stabilisation des films, une concentration de 2% v/v du glycérol, notre condition optimale, a permis d'assurer un greffage efficace avec un bon niveau de conductivité (anviron 200 S cm-1). Finalement, le greffage covalent de molécules biologiques à la surface d'un film de polymère conducteur sans diminution importante en conductivité a été rendu possible par l'ajout de petites concentrations de DCM dans le film de PEDOT:PSS stabilisé par le GOPS (1% v/v). Les résultats obtenus ont le potentiel d'être utilisés pour développer un substrat d'immobilisation d'une composante biologique de biocapteur, ainsi que de créer un substrat fonctionnalisé avec des molécules bioactives pour y cultiver des cellules avec une possible stimulation électrique.  ABSTRACT: The fact that conducting polymers have better biocompatibility than traditional conducting materials made them very popular in bioelectronics. That's why integration of biological compound in the structure of devices based on conducting polymer is important. Various methodes of conducting polymer fonctionnalisation were developped. Some of  them can provoke conductivity decrease. Our objectif  was a creation of  simple approach for protein covalent grafting on conducting polymer films (PEDOT:PSS) without influence on the stability and conductivity of the fonctionnalised material. By mixing a commercial PEDOT:PSS suspension with the modified biopolymer carboxymethylated dextran (CMD), we obtained films displaying carboxyl (–COOH) groups allowing for covalent grafting of proteins via amide bonds. By fine-tuning the concentration of CMD (500 kDa) as well as those of a conductivity enhancer (glycerol) and a crosslinking agent (glycidoxypropyltrimethoxysilane, GOPS) in the film processing mixture, we were able to produce COOH-functionalized PEDOT:PSS films displaying excellent electrical conductivity and high stability in aqueous environment. The thichness of the GOPS-stabilised PEDOT:PSS/DCM films (150±10 nm) was stable after a long-term immersion in aqueuse buffered media (pH 5-7). Also we state that conductivity enhancer had some negative impact on the protein grafting efficiency. Finally, the glycerol in the concentration of 2% v/v was accepted as optimum condition which can provide high antybody grafting efficiency in combination with a film conductivity of  about 200 S cm-1. In the future our biofunctionalized PEDOT:PSS films can be incorporated into bioelectronic devices such as biosensors based on organic electrochemical transistors, implantable electrodes for in vivo stimulation and recording, and smart devices for cell culture and stimulation.


identifier: St-Charles, J.-C. (2015). Synthèse de polymères thermoplastiques énergétiques riches en azote  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La recherche effectuée dans l'élaboration de nouveaux polymères utilisables dans des systèmes de propulsion n'est pas récente: plusieurs nouveaux polymères ont été synthétisés dans les années 1950 et 1960, dans le but de propulser plus efficacement des fusées vers l'espace. Ces polymères sont encore très utilisés mais ils font aujourd'hui de plus en plus place à de nouveaux polymères thermodurcissables, eux-même énergétiques, dont l'ajout à des systèmes de propulsion en augmente la performance. Ces nouveaux polymères, dont des polyéthers énergétiques, présentent toutefois certains désavantages au niveau de leur mise en forme et de certaines de leurs propriétés mécaniques. Le développement de polymères énergétiques thermoplastiques offrant des propriétés ciblées pourrait donc répondre aux besoins relatifs à la mise à jour des propulsifs modernes. Les propriétés ciblées sont surtout l'insensibilité des composés, leur compatibilité chimiques avec les composés “classiques” (ex: nitrocellulose), leurs propriétés de combustion et leur impact environnemental (Akhavan, 2011). Ces propriétés pourraient facilement être contrôlées à l'aide de la composition chimique des polymères utilisés. Les approches adoptées par ce projet dans la synthèse de nouveaux thermoplastiques énergétiques sont inspirées de travaux récents ayant mené à l'obtention de nouveaux composés énergétiques riches en azote (Sproll, 2009; Gao and Shreeve, 2011; Klapötke and Sabaté, 2008). Des méthodes récentes, dont la cyclisation de tétrazoles à partir de nitriles organiques ou la cycloaddition 1,3-dipolaire d'azotures et d'alcynes, ont permis d'obtenir de nouveaux polymères énergétiques fonctionnels. De ces nouveaux polymères, plusieurs copolymères de poly(5-vinyltétrazole) (PVT) et d'esters itaconiques ont été synthésisés, de même que plusieurs nouveaux polyélectrolytes de poly[5-vinyltétrazol(ium/ate)] et certains nouveaux polymères de cycloaddition de triazoles (TCP), à partir d'esters maloniques. Certaines synthèses se sont toutefois soldées par des échecs, comme la polycondensation de bistétrazoles et la cyclisation-azoturation de fibres modacryliques. La composition des esters maloniques et itaconiques produits (monomères des polymères de cycloaddition) a été vérifiée par FTIR, celles de plusieurs polymères d'addition d'acrylonitrile et des polyélectrolytes ont été déterminées par analyse élémentaire. Des tests de calorimétrie différentielle, effectués sur les polymères obtenus, confirment la présence de fonctions énergétiques, avec des valeurs d'énergie de décomposition très élevées pour certains polymères (surtout des polyélectrolytes obtenus). Certains polymères, dont des polyélectrolytes et des polymères de cycloaddition, démontrent un comportement thermoplastique particulièrement v intéressant: ceux-ci pourraient facilement être considérés comme polymères énergétiques liants, à condition d'être compatibles avec d'autres composants énergétiques. Des essais de mise en forme des polyélectrolytes ont aussi été réalisés: des mousses de polyélectrolytes énergétiques ont facilement été obtenues avec des taux de gonflement très importants, en utilisant l'azoisobutyronitrile comme agent gonflant. Ces mousses ont aussi été soumises à des tests d'analyse mécanique dynamique pour évaluer leur comportement mécanique à diverses températures. Les températures de transition vitreuse mesurées pour celles-ci varient en fonction des fractions d'électrolytes utilisés et les résultats suggèrent que plusieurs mélanges pourraient démontrer d'excellentes propriétés mécaniques au travers de la plage de température visée (-30C à 65) dans l'optique de les utiliser comme générateurs de gaz. Suite à la synthèse de ces nouveaux polymères, les résultats du projet de recherche nous amènent à recommander d'optimiser certains paramètres de synthèse, surtout au niveau de l'estérification d'acides ou de la polymérisation par étapes, et à caractériser en détail les propriétés manquantes des polymères les plus prometteurs dans le but d'en effectuer une mise à l'échelle vers leur application au format pilote.  ABSTRACT: Research in the field of polymer-bound propellants dates back to the early 1950s and 1960s, when new alternatives to nitrocellulose-based rocket fuels were investigated for space exploration. Most of the polymers developed in that period, namely polybutadienes or polysulfides, are still widely used today, even though several new options have surfaced, such as thermoset energetic polyethers (GAP, poly(BAMO), etc.). These new energetic binders do not lower the energetic content of the propellant and therefore increase the performance of the global system. However, thermoset energetic polyethers are often tediously put in shape or mixed with other propellants, have a limited pot life, or show poor mechanical properties. Development of new thermoplastic energetic polymers with tailored properties may be one way to compensate for the lack of available energetic solutions to update modern propellant systems. These tailored properties, particularly sensitivity, chemical compatibility, combustion properties and environmental impacts (Akhavan, 2011), would have to be conveniently controllable through the chemical composition of the polymers. Using data from recent publications regarding synthesis of nitrogen-rich and multifunctional compounds, new polymers with similar traits as well as relatively high energetic contents and adequate mechanical properties were synthesized. The methods used in this project are inspired by recent works regarding the synthesis of nitrogen-rich compounds (Sproll, 2009; Gao and Shreeve, 2011; Klapötke and Sabaté, 2008). These methods include cyclisation of tetrazoles from organic nitriles and 1,3-dipolar cycloadditions of azides and alkynes, allowing the construction of multifunctional energetic polymers, specifically poly(5-vinyltetrazole) copolymers of vinylic esters, as well as polyelectrolytes of poly[5-vinyltetrazol(ium/ate)] and triazole-linked cycloaddition polymers (TCP) from malonic esters. However, certain attempts using other methods yielded little or no polymeric materials, such as the polycondensation of bistetrazolyl compounds and the cyclisation-azidation reaction of modacrylic fibers. Composition of produced malonic and itaconic esters (copolymerization monomers) was verified by FTIR spectroscopy, whereas those of several polymerization products were verified by elemental analysis. Using differential scanning calorimetry, the decomposition energy of the polymers confirmed the high energetic content of several species, especially that of polyelectrolytes containing oxidizing agents. Certain polymers obtained also exhibit a good thermoplastic behavior, making them particularly interesting for use as binders in propellant systems, if their chemical compatibility with other propellants can be established. Experiments to put certain polyelectrolytes into shape were also made: energetic foams were vii easily obtained from different polyelectrolytes with high foaming ratios using azobisisobutyronitrile as a blowing agent. Different foams were selected for dynamic mechanical analysis, revealing a vast range of storage moduli and glass transition temperatures, varying with the nature of the electrolytes used and test temperature. Results suggest that several electrolyte mixtures could be used to obtain foams with flexible mechanical properties in the desired temperature interval (-30C to 65), ideal for gas-generator applications. Following the synthesis of these new polymers and promising characterization results, the next logical step would be to attempt to optimize the esterification and polymerization steps of triazole-linked cycloaddition polymers and acrylonitrile copolymers, conjointly with the substitution of new acidic polyelectrolytes of 5-vinyltetrazole, in hope to gain the necessary data to make a scale-up of these processes possible.


identifier: Belhadj, A. (2015). Analyse expérimentale de la performance thermoélectrique des modules générateurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les générateurs thermoélectriques (GTE) sont des dispositifs capables de convertir un flux de chaleur en puissance électrique, qui peuvent être employés dans diverses applications. Pour cette raison, il est important d'évaluer leurs performances pour permettre leur utilisation dans des applications industrielles. Ce projet de maîtrise a pour but de faire une caractérisation thermoélectrique des modules générateurs qu'on nommera MTE, en ayant recours à une approche expérimentale basée sur la production d'une différence de température aux surfaces du module. Nous présentons alors un modèle de système de conditionnement et de mesure capable de déterminer les principaux paramètres d'un MTE, pour une large différence de température, sur des modules de dimensions 40 × 40 mm2 et ayant des longueurs de pattes variables (l= 1.5 mm et l= 2 mm). Les paramètres mesurés sont la tension en circuit ouvert VOC, le courant en court circuit ICC, la puissance maximale générée PMAX, le flux de chaleur QH ainsi que l'efficacité de conversion η. À partir de ces grandeurs, il est possible de remonter à la valeur de la résistance électrique interne R du module. Le système de conditionnement et de mesure est muni d'un bloc chaud composé de cartouches chauffantes et d'un bloc froid refroidi à l'eau, entre lesquels le module est compressé. Les températures des deux blocs sont mesurées par des thermocouples placés aux surfaces du MTE. Les procédures de chauffage et de refroidissement sont sous le contrôle d'un régulateur de température de type PID. La pression appliquée sur le module varie de 0 MPa à 1.275 MPa. La différence de température imposée aux surfaces du générateur TE permet de générer une puissance électrique, qui dépend de la pression appliquée. Le MTE à caractériser est connecté à un régulateur électronique de charge (résistance de charge). Les données provenant des thermocouples (température), du régulateur électronique de charge (courant-tension) ainsi que de la cellule de charge (pression) sont enregistrées dans l'ordinateur et les mesures sont assurées par un logiciel incorporé au système de mesure. La pression mécanique appliquée sur le MTE a permis d'augmenter la puissance électrique générée jusqu'à atteindre un plateau après 0.45 MPa. Des tests effectués sur des modules appartenant à un même lot (mêmes dimensions, mêmes longueurs des pattes et mêmes matériaux TE) ont démontré que ces MTE ne présentent pas la même performance TE. Des variations d'au moins 1% ont été observées.  ABSTRACT: Thermoelectric generators (TEG) are devices used to recover heat for power generation, which may be employed in various applications. Thus, it is important to experimentally evaluate their performance to ensure an adequate design and to use them in industrial applications. This project aims to characterize thermoelectric generator modules, using an experimental approach based on the production of a temperature difference on the module surfaces. We present a test system capable of determining the main parameters of a TEG, over a large temperature difference, for a 40 × 40 mm2 module with different legs length (l= 1.5 mm et l= 2 mm). The measured parameters are the open circuit voltage VOC, the short circuit current ISC, the maximum generated power PMAX, the heat flux QH, and the conversion efficiency η. From these parameters, it is possible to retrieve the values of the electrical internal resistance R of the module. In the proposed measurement system, the TE module is compressed between the hot and the cold blocks of the system. The hot block uses three cartridge heaters and the cold block is cooled by water circulation. The temperatures of the two sides are measured by thermocouples placed on the surfaces of the module. The heating and cooling procedures are under the control of PID temperature controllers. The pressure applied on the module can be varied from 0 MPa to 1.275 MPa. The temperature difference imposed on the surfaces of the TEM allows generating electric power, which depends on the pressure applied. The TEM is connected to an electronic load «B&K precision 8500». Data collection from thermocouples (temperature), electronic load (current-voltage) and load cell (pressure) are recorded and managed by a software incorporated to the measurement system. Our measurements corroborate that as the mechanical pressure on the module increases, the generated power also increases until reaching a plateau at about 0.45 MPa. Different tests have demonstrated that TEMs belonging to the same batch (same dimensions, same TE materials, same legs length) don't have the same thermoelectric performance, a variability of at least 1% is observed, which is attributed to the variability introduced in the manufacturing process. Furthermore, TEM legs length affects its thermoelectric performance. The conversion efficiency is higher when the temperature difference increases. Finally, numerical simulations of one module using a finite element approach, under the same experimental conditions, revealed that the experimental and theoretical values are closed.


identifier: Gémieux, M. (2015). Analyse de faisabilité de l'implantation d'un protocole de communication sur processeur multicoeurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les travaux de ce mémoire s'inscrivent dans le cadre d'un projet qui fait l'objet d'un parrainage industriel. Les résultats visent à comprendre le comportement d'un système de traitement opérant dans des contextes précis. Nous situons ce projet à l'intersection des principes d'ordonnancements de tâches, des systèmes d'exécution, de la virtualisation de fonctions de réseaux et surtout les contraintes associées à la virtualisation d'une pile de protocole LTE (Long Term Evolution), la norme de téléphonie cellulaire la plus en vue en ce moment. Une revue de littérature est proposée pour expliquer en détail les concepts vus plus haut, afin d'avoir une idée précise de la situation de test. D'abord, une étude des grappes d'unités de traitement temps réel est effectuée dans l'optique de l'implémentation de ce qu'il est convenu d'appeler un Cloud Radio Area Network (C-RAN), qui supporte sur une plateforme infonuagique l'électronique qui effectue le traitement de signal requis pour un point d'accès de téléphonie cellulaire. L'étude développée dans ce mémoire vise à évaluer les différents goulots d'étranglement qui peuvent survenir suite à la réception d'un paquet LTE au sein d'une trame CPRI (Common Public Radio Interface), jusqu'à l'envoi de ce paquet d'un serveur maitre jusqu'aux esclaves. Nous évaluons donc les latences et bandes passantes observées pour les différents protocoles composant la plateforme. Nous caractérisons notamment les communications CPRI des antennes vers le bassin de stations de base virtuelles, une communication de type Quick Path Interconnect (QPI) entre des cœurs de traitement et un réseau logique programmable de type FPGA, une communication dédiée point à point entre le FPGA et une carte NIC (Network Interface Card) pour finir avec l'envoi de trames Ethernet vers les serveurs esclaves. Cette étude nous permet de déduire que la virtualisation d'une pile LTE est viable sur une telle grappe de calcul temps réel.  ABSTRACT: The work performed as part of this Master thesis is done in the context of an industrially sponsored project. The objective is to understand the runtime behavior of a class of systems in specific contexts. We place this project at the intersection of the principles of task scheduling, runtimes, Network Functions Virtualisation (NFVs) and especially with the constraints associated with virtualization of an LTE (Long Term Evolution) stack that is the most prominent cellular telecommunication standard at the moment. A literature review is proposed to explain in detail the concepts discussed above, in order to have a clear idea of the target environment. First, a study of a real time processing cluster is carried out in relation to the implementation of the so-called Cloud Radio Area Network (C-RAN) that supports on a cloud platform all the electronics which performs the signal processing required for a cellular access point. The study developed in this paper is to evaluate the various bottlenecks that can occur following the receipt of an LTE packet within a Common Public Radio Interface (CPRI) frame, then as part of sending the package to a master server before routing it to the slaves. We evaluate the latencies and bandwidths observed for the different protocols used on the platform components. In particular, we characterize the CPRI communications from the antennas to the virtual base stations units, a Quick Path Interconnect (QPI) communication between processing cores and a programmable logic array in the type of a FPGA, a dedicated point to point communication between the FPGA and a NIC (Network Interface Card) to end with the sending Ethernet frames to the slave servers. This study allows us to infer that the virtualization of an LTE stack is viable on a real time computation cluster with the implied architecture. Then, to be able to validate the effectiveness of different scheduling algorithms, an emulation of a LTE Uplink stack virtualization will be made. Through a runtime called StarPU coupled with profiling tools, we deliver results to assess the need for dedicated thread or cores to manage tasks within a server.


identifier: Bourgault-Côté, S. (2015). Simulation du givrage sur ailes en flèche par méthodes RANS/Eulérienne quasi stationnaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les simulations numériques prennent de plus en plus de place dans les processus de conception et de certification en ingénierie, il en va de même dans le domaine de l'aéronautique. Les programmes utilisés par l'industrie aéronautique permettent maintenant de simuler très précisément les phénomènes physiques reliés aux avions, grâce à un développement constant de la technologie. Cependant, certains domaines moins connus stagnent; c'est le cas des simulations de givrage en vol sur les avions. Afin d'évaluer quantitativement l'accumulation de la glace sur un avion selon différents paramètres atmosphériques, un programme de givrage nécessite la résolution de plusieurs phénomènes physiques, l'écoulement de l'air, l'écoulement des gouttelettes d'eau dans l'air, les échanges thermodynamiques sur la surface recevant des gouttelettes et la production de la nouvelle surface. Un manque de précision dans un seul de ces modules compromet le résultat final. Or, les logiciels utilisés par l'industrie sont composés de technologie basse fidélité. Ces logiciels, développés dans les années 90 n'ont pas été améliorés par l'ajout de nouvelles technologies de haute fidélité depuis l'an 2000. La raison est simplement que l'implémentation de ces nouvelles technologies est parfois complexe et risquée d'un point de vue financier. Pourtant, l'augmentation des contraintes en givrage imposées par les autorités de certification rend ce changement nécessaire. C'est pourquoi Bombardier Aéronautique s'intéresse au développement d'un nouveau programme de givrage porté au niveau de l'état de l'art dans le domaine. Une collaboration a donc été établie avec Polytechnique Montréal, sous la supervision du professeur Éric Laurendeau, afin que les meilleures techniques soient implémentées et validées en milieu universitaire où les risques sont moindres. Le projet comporte deux objectifs principaux: d'abord, créer un programme bidimensionnel d'accrétion de glace en vol robuste, efficace et automatique, et ensuite, ajouter un modèle simulant en partie les effets tridimensionnels du givrage plus rapidement qu'une simulation tridimensionnelle complète. Dans la première partie du projet, les différents modules requis pour la simulation du givrage ont été développés. Une hiérarchie claire a été définie afin d'intégrer les modules déjà existants au sein du groupe de recherche: le mailleur NSGRID, le solveur Navier-Stokes NSCODE et le préprocesseur chimère. Le premier permet de générer les maillages requis à toutes les itérations du processus de givrage. Le second résout l'écoulement de l'air autour du profil simulé. Le dernier gère la superposition de grilles, ce qui diminue les contraintes sur les maillages, en augmentant ainsi la qualité, et permet la simulation de profils composés de plusieurs éléments. Les modules créés au sein du projet sont donc le solveur du champ de gouttelettes, le modèle thermodynamique et l'algorithme d'évolution de la géométrie. Trois schémas de solveur ont été implémentés pour résoudre les équations Eulériennes du champ de gouttelettes: un schéma explicite Runge-Kutta, un schéma semi-implicite Runge-Kutta et un schéma implicite d'Euler. Chaque fois, le manque d'efficacité et de robustesse nécessitait l'application d'un nouveau schéma. Il est apparu que le schéma d'Euler implicite est le plus efficace et qu'il est très robuste lorsque les équations sont résolues de façon découplées. C'est donc ce schéma qui a été utilisé pour obtenir tous les résultats.  ABSTRACT: Numerical simulations are becoming increasingly used by engineers in the design and certification processes, especially in aeronautics where flight tests are so expensive. The numerical tools used by the industry are continuously improved in order to simulate and analyse almost every physical behaviors of airplanes. This technology development was not done in all domains though, which is the case of inflight ice accretion softwares. These comprise many modules solving different physical phenomena in order to obtain ice accretion shapes on the airplanes in various atmospheric conditions. These modules are an airflow solver, a droplet flow solver, a thermodynamic solver and a geometry evolution algorithm. If any of these presents a lack of precision, the final results can be wrong and the whole process is jeopardized. Even then, the softwares used by the industry are based on low fidelity technology in each modules. In fact, these softwares were developed in the early 90's and were not improved with the new techniques developed since year 2000. These techniques are simply too complex to implement, which is risky for a company. Nevertheless, as the certification authorities are increasing the icing constraints on the industry, a massive change is required in these icing simulation tools.  This is why Bombardier Aeronautic showed interest in the development of a new state-of-the-art icing simulation software. A collaborative project was then started with Polytechnique Montreal, under the supervision of prof. Éric Laurendeau, in order to implement and validate the best techniques in icing while in academia, where risks are low. The project consists of two main objectives. First, a two-dimensional inflight ice accretion software needs to be developed with robustness, efficiency and automation as its main characteristics. Then, some three-dimensional icing should be simulated with a proper numerical model added to the two-dimensional software, without requiring the same CPU resources as a full three-dimensional icing software. In the first part, the modules required for icing simulation were developed. A framework was defined in order to integrate the modules already existing, which were developed in the research group. These are the mesher, NSGRID, the airflow solver, NSCODE, and the chimera preprocessor. The first is used to generate the meshes required at each ice accretion timestep. The second solves the airflow around the simulated geometry. The later enables the use of overset grids, which leads to high quality grids and the simulation of multi-element wings. The modules developed in this project are then the droplets flow solver, the thermodynamic module and the geometry evolution algorithm.  Three solver schemes were implemented in order to solve the droplets flow using the Eulerian equations system : an explicit Runge-Kutta scheme, a point-implicit Runge-Kutta scheme and an Euler implicit scheme. The first two solvers were not efficient enough and presented a lack of robustness which leaded to the implementation of a new scheme. The Euler implicit scheme appeared to be very efficient and robust when using a decoupled approach to solve the equations. Therefore this scheme was chosen over the two others for producing results.


identifier: Salama, H. (2015). Studying the Characteristics of Liposomes Composed of DMPC by Lipid Film Hydration Technique to be Manipulated as Carriers for Magnetotactic Bacteria  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les bactéries magnétotactiques (BMT) peuvent être utilisées pour des applications biomédicales telles que la délivrance de médicaments. Les BMT sont encapsulées dans des transporteurs comme les liposomes, afin d'être capable de contrôler la navigation des BMT à travers les vaisseaux sanguins et de protéger les cellules normales des effets nuisibles des médicaments anticancéreux attachés aux BMT.Dans notre étude, nous avons étudiés les caractéristiques des liposomes composés de DMPC par la technique d'hydratation de couche lipidique afin d'évaluer leurs disponibilité à être manipulé en tant que transporteur de BMT. Les résultats ont montré que la technique d'hydratation des couches de lipides présente une importante reproductibilité des liposomes. Environ 1,500,000 liposomes ayant un diamètre de 8 à 23 μm pour chaque ml de solution de liposome ont été préparés par cette technique. Les liposomes préparés ont encapsulés 14,1% de la quantité ciblée de BMT. Les filtres de polycarbonate ont séparé 90,63% de BMT non encapsulées qui sont restées dans l'échantillon à la fin du processus d'encapsulation. En outre, les filtres de polycarbonate n'ont pas montré d'effets négatifs reconnaissables sur l'intégrité des liposomes, du fait que 79.6% des liposomes qui ont subi le procédé de séparation par des filtres de polycarbonate pour l'isolement de BMT non encapsulées, ont été maintenus intacts après que la séparation des BMT non encapsulées a eu lieu.  La faible fréquence des ultrasons, 3W/cm3, pendant 3 minutes a libéré 95% des liposomes composés de DMPC. Selon nos résultats, la température corporel et le pH du corps n'ont pas pu causer la libération de liposomes composés de DMPC pendant 30 minutes d'exposition.   Nous avons conclu le fait que la technique d'hydratation des couches de lipides est fortement reproductible. Cette technique est capable de produire des liposomes ayant un grand diamètre pouvant piéger une quantité suffisante de particules ayant un diamètre de l'ordre des micromètres. De plus, les filtres de polycarbonate sont capables de séparer les BMT non encapsulés des échantillons de liposomes sans affecter l'intégrité des liposomes. La faible fréquence de l'ultrason a permis d'obtenir un fort pourcentage de liposomes alors que la température corporel et le pH n'ont pas été capable de causer la libération de liposomes composés de DMPC pendant les 30 premières minutes d'injection dans le corps.  ABSTRACT: Magnetotactic bacteria (MTB) could be used in biomedical applications such as drug delivery. To be able to control the navigation of MTB through blood vessels and protect the normal cells from the harmful effects of anticancer medications attached to MTB, we have to encapsulate MTB inside carriers such as liposomes.   In our study, we studied the characteristics of liposomes composed of DMPC by lipid film hydration technique to evaluate their availability to be manipulated as MTB carriers. The results showed that the lipid film hydration technique manifests high liposomes reproducibility. Around 1,500,000 liposomes with diameters between 8-23 μm in every 1ml of liposomes solution are prepared using this technique. The prepared liposomes encapsulated 14.1% of the targeted quantity of MTB to be entrapped inside liposomes. The polycarbonate filters segregated 90.63% of non-encapsulated MTB that remained in the sample after the encapsulation process is achieved. In addition, the polycarbonate filters did not show recognizable negative effects on the liposomes' integrity since 79.6% of the liposomes underwent the separation process by polycarbonate filters for the isolation of non-encapsulated MTB are kept intact after the separation of non-encapsulated MTB had taken place.  The low frequency ultrasound 3W/cm3 for 3 minutes released 95% of the liposomes composed of DMPC. According to our results, the both body temperature and body pH could not cause the release of liposomes composed of DMPC during 30 minutes of exposure.   We concluded that the lipid film hydration technique is high reproducible technique. This technique is able to produce liposomes with big diameters that could entrap sufficient amount of particles in micrometers in their diameters. In addition, the polycarbonate filters are able to separate the non-encapsulated MTB from liposomes sample without affecting the integrity of liposomes. The low frequency ultrasound releases a high percentage of liposomes while both body temperature and body pH are not able to release liposomes during the first 30 minutes of their injection into the human body.


identifier: Dailleux, E. (2015). Le multiplexage spatial à 60 GH en environnement interne : critères de faisabilité et analyse de performance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RESUMÉ Le sujet de ce mémoire s'intéresse aux méthodes qui permettraient de faire du MIMO sur la bande de fréquences millimétriques des 57-64 GHz qui sera utilisée dans les prochaines normes WIFI et dans les futures générations de normes 5G pour le mobile. On traite ce sujet car la technologie MIMO telle qu'on la connaît depuis les années 2000 avec la norme WIFI 802.11n ne permet pas d'être utilisée sur la bande des 57-64 GHz dans les mêmes conditions. En effet, pour bénéficier des avantages du MIMO on doit auparavant effectuer certains traitements sur les signaux. Ce traitement qui est le plus souvent une décomposition en valeurs singulières consiste à pré-traiter les signaux qui seront envoyés à travers les différentes antennes à l'émission et à faire un post-traitement des signaux reçus par les différentes antennes de réception. Les normes WIFI fonctionnent actuellement sur deux bandes de fréquences : 2.4 GHz et 5.8 GHz. Elles effectuent ce traitement numériquement via des DSP programmés pour traiter les signaux avant qu'ils soient envoyés et après avoir été reçus. Cependant, comme tous systèmes numériques programmables, les DSP comme les FPGA sont limités en vitesse de part leur fréquence de fonctionnement. Or la largeur de bande offerte à 60 GHz est près de 70 (et 45) fois supérieure à celle offerte à 2.4 GHz (et à 5.8 GHz). Ce qui nécessite autant de puissance de calcul supplémentaire. Actuellement aucun DSP ou FPGA à faible coût pouvant être embarqué dans un périphérique WIFI grand public à 60 GHz n'existe pour faire le traitement MIMO. On montre qu'en utilisant des réseaux d'antennes planaires avec certaines configurations spatiales, on est capable sans effectuer de traitement complexe du signal, d'obtenir des canaux suffisamment indépendants pour transmettre plusieurs flux de données indépendants. Lorsque les réseaux d'antennes sont suffisamment éloignés, on arrive à atteindre les mêmes performances que celles du système MIMO équivalent utilisant la décomposition en valeurs singulières. De plus, l'ajout d'une technique de traitement du signal au récepteur appelé LMMSE permet de diminuer les contraintes spatiales et d'améliorer les performances sous certaines conditions. Les mesures de la réponse fréquentielle du canal pour un système MIMO utilisant des réseaux d'antennes planaires permettent de valider les hypothèses émises et de manière indirecte certains résultats obtenues par simulation.  ABSTRACT: The topic of this report is about new methods to figure out the difficulties to use MIMO systems on the 57-64 GHz millimeter wave band which will be used in the future telecommunication standards like the next generations of WIFI and mobile standards. We interest to this subject because contrary to the MIMO system used in the current standards, with the millimeter waves the way to use the MIMO is different because of a technical and physical constraints. Indeed, to take advantage of the MIMO much signal processing is required. This processing involves most of the time a linear mathematical transformation by using a decomposition in singular values called SVD. Thank to this linear transformation we can apply a pre-processing to the signals to transmit through several antennas and a post-processing to the received signals from several antennas. Nowadays, the current WIFI standards use either the 2.4 GHz band or the 5.8 Ghz band. The signal processing at these frequencies is done digitally by the software load in the DSP which is responsible amongst other things to compute the SVD. As it is a software which handles the computation, it is necessarily limited by the speed of the DSP. However, the offered bandwidth on the 60 GHz band is about 70 (and 45) times superior to the offered bandwidth at 2.4 Ghz (and 5.8 GHz). That requires a very powerful DSP. But currently, there is no low cost DSP or FPGA that can be embedded in a commercial WIFI device at 60 GHz in order to handle the signal processing. We show that the use of the patch array antennas with certain spatial configurations allows to get pseudo orthogonal channels without using complex signal processing. When the patch array antennas are adequately spaced, we figure out to reach the same performance than the equivalent MIMO system with singular value decomposition. Moreover, the addition of a signal processing to the receiver called LMMSE allows to reduce the required spacial constraints and to improve the performance under certain conditions. The  frequency response measurements of the MIMO channel using patch arrays antennas confirm the assumptions and indirectly certain results obtained by simulation.


identifier: Bensalma, F. (2015). Contributions à la modélisation des processus hydrologiques  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les processus de renouvellement filtrés sont utilisés pour prévoir les débits journaliers de cours d'eau un et deux jours à l'avance. Pour ces processus, contrairement au processus de Poisson filtré (Shot noise), le temps entre deux événements consécutifs n'est pas nécessairement exponentiellement distribué, ce qui est plus réaliste. Le modèle est appliqué pour les prévisions des débits des fleuves Delaware et Hudson situés au États-Unis. De meilleurs résultats sont obtenus qu'avec le processus de Poisson filtré qui est souvent utilisé pour modéliser les débits de cours d'eau. Pour obtenir des estimations des probabilités que le débit dépasse un seuil donné à l'instant t+1, étant donné sa valeur à l'instant t, et la distribution du débit au moment de la prochaine augmentation (étant donné que le débit vient juste d'augmenter), deux modèles stochastiques pour les fluctuations des débits sont considérés: le processus de Poisson filtré et le processus de diffusion avec sauts. Les estimations obtenues à partir de la régression linéaire sont aussi considérées à des fins de comparaison. Les paramètres des modèles sont supposés dépendre de la valeur des débits. Les résultats sont appliqués au fleuve Delaware. Les analyses d'incertitude et de sensibilité permettent de quantifier et d'évaluer l'effet des variations des paramètres d'entrée sur la réponse du modèle. Ces analyses font partie intégrante et nécessaire de la modélisation hydrologique et de la qualité de l'eau. Les méthodes les plus fréquemment utilisées sont: la méthode de moments de premier ordre (MFOSM - Mean-value first-order second-moment) et la méthode de moments de second ordre (MSOSM - Mean-value second-order second-moment). Ces analyses sont basées sur le calcul d'une fonction de performance approximée par le développement en série de Taylor de premier et second degré au voisinage de la valeur moyenne du jeu de paramètres. L'objectif est de réaliser une analyse de sensibilité et d'incertitude d'un nouveau module spécifique aux milieux humides nouvellement intégré dans HYDROTEL, un modèle hydrologique distribué. Les méthodes de MFOSM et MSOSM sont appliquées sur les débits journaliers simulés par le modèle HYDROTEL à différents segments du bassin versant de la rivière Bécancour, Québec (Canada). Les probabilités de dépassement d'une valeur du débit donnée sont calculées et comparées en utilisant les simulations de Monte-Carlo. Les résultats sont analysés par rapport à deux types de milieux humides: isolés et riverains, situés dans trois régions qui divisent le bassin versant de Bécancour. Ces résultats illustrent que les paramètres des milieux humides affectent significativement les variations de débits et que ceux associés aux milieux humides isolés ont un impact plus important par rapport à ceux des milieux humides riverains.  ABSTRACT: Filtered renewal processes are used to forecast daily river flows. For these processes, contrary to filtered Poisson processes, the time between consecutive events is not necessarily exponentially distributed, which is more realistic. The model is applied to obtain one- and two-day-ahead forecasts of the flows of the Delaware and the Hudson Rivers, both located in the United States. Better results are obtained than with filtered Poisson processes, which are often used to model river flows. To obtain estimates of the probability that a river flow will exceed a given threshold at time t+1, given the flow value at time t, and the distribution of the flow at the time of the next increase, given that the flow of a river has just increased, two stochastic models for the fluctuations of the flow are considered: a filtered Poisson process and a diffusion process with jumps. Estimates derived from linear regression are also considered for purposes of comparison. The model parameters are assumed to depend on the flow value. The results are applied to the Delaware River. Uncertainty and sensitivity analyses provide a framework to quantify and assess the effect of input parameter variations on model response. These analyses are an unavoidable and an integrated part of hydrological and water quality modelling. Mean-value, first-order, second-moment (MFOSM) and mean-value second-order second-moment (MSOSM) methods are frequently used to perform these analyses. They are based on the derivation of a performance function which is approximated using first/second-order Taylor expansion at the mean-value point in the parameter space. The objective is to conduct sensitivity and uncertainty analyses of the wetland modules of HYDROTEL, a continuous, process-based, distributed hydrological model. Following calibration of HYDROTEL on the Bécancour River watershed, Quebec (Canada), the MFOSM and MSOSM methods are applied with respect to simulated daily flows at various river segments. Exceedance Probabilities of a given streamflow value are computed and compared using Monte Carlo Simulations. Results are analysed with respect to two types of wetlands, isolated wetlands and riparian wetlands, located in three regions dividing the Bécancour watershed. These results illustrate that the wetland parameters affect significantly streamflows and that those associated with isolated wetlands have a stronger impact when compared to those of riparian wetlands.


identifier: Robitaille, J. (2015). Modélisation dynamique de cultures de cellules CHO produisant un anticorps monoclonal en mode cuvée-alimentée  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La production d'anticorps monoclonaux par culture de cellules de mammifères est une technologie désormais établie industriellement qui a évolué énormément au cours des dernières décennies. En progressant par expérimentation et par intuition, des améliorations importantes ont été accomplies concernant la productivité des cultures et la croissance des cellules CHO, mais les niveaux de productivité et de reproductibilité sont variables d'un bioprocédé à l'autre. En parallèle, de nombreux travaux ont été consacrés à l'étude du métabolisme de ces cellules afin d'en relever les réactions limitantes et ainsi d'optimiser les conditions de culture. En combinant à la fois ces connaissances sur le métabolisme et les résultats observés en bioréacteurs, il a été possible d'optimiser les stratégies d'alimentation et ainsi d'optimiser la composition du milieu de culture en cours de culture, en mode cuvée-alimentée. Ces travaux ont généralement fait appel à une série de cycles d'essais/erreurs guidés par l'intuition ainsi que par des plans expérimentaux très lourds à mettre en oeuvre. Toutefois, l'analyse du métabolisme cellulaire et l'optimisation d'un procédé nécessitent idéalement des outils qui sont à la fois descriptifs et prédictifs, permettant aussi bien d'analyser les résultats expérimentaux que d'explorer des pistes de solution quant à l'optimisation du bioprocédé. C'est dans cette optique de développement d'un modèle mathématique qui satisfait à ces conditions que s'inscrit ce mémoire. Dans le corps de ce travail, un modèle dynamique du métabolisme de cellules CHO est présenté et analysé. Ce modèle utilise comme entrées uniquement les conditions initiales d'une culture, c'est-à-dire les concentrations initiales extracellulaires et intracellulaires en nutriments et métabolites, afin de simuler les profils de concentrations de ces composés (intracellulaires et extracellulaires), en plus de la concentration cellulaire et la production d'anticorps dans le temps. Un tel modèle dynamique devrait également permettre de simuler les nombreux flux métaboliques en jeu. Le modèle est basé sur la description des flux métaboliques par des équations représentant des mécanismes biochimiques connus et sur la stoechiométrie du métabolisme central du carbone, incluant la glycolyse, le cycle des acides tricarboxyliques, la voie des pentoses phosphates, le métabolisme des acides aminés) et du métabolisme énergétique de la cellule. Le modèle a été adapté à partir de travaux précédents de modélisation du métabolisme d'une autre lignée de cellules CHO, et a été construit de manière à pouvoir simuler efficacement le métabolisme face à des perturbations du milieu extracellulaire, particulièrement v par rapport à des variations de compositions du milieu initial et par rapport à l'application de différentes stratégies d'alimentation en cours de culture (i.e. mode cuvée-alimentée). Afin d'assurer la robustesse de la structure (i.e. réseau métabolique) du modèle ainsi qu'une estimation adéquate des valeurs des paramètres cinétiques, le modèle a été calibré à partir de quatre cultures en bioréacteurs. Ces cultures ont été effectuées en utilisant deux milieux différents, une culture en mode cuvée et une culture en mode cuvée alimentée pour chaque milieu. Une analyse de sensibilité a été effectuée pour identifier les 20 paramètres les plus sensibles du modèle et les valeurs de ceux-ci ont été optimisées de manière à réduire l'écart entre les simulations et les valeurs expérimentales. Cet exercice a de plus permis de localiser les voies métaboliques où oeuvrent les paramètres les plus importants. L'exercice d'optimisation a été effectué en utilisant l'ensemble des cultures réalisées, puis a été répété en utilisant différents sous-ensembles de paramètres, soit : seulement les cultures en mode cuvée, seulement les cultures en mode cuvée alimentée, ainsi que selon le milieu de culture utilisé. La comparaison des valeurs de paramètres obtenues et leur intervalle de confiance (95 %) a permis de déterminer qu'un seul ensemble de paramètres est suffisant pour décrire les cultures de CHO indépendamment du mode de culture ou du milieu de culture utilisé. Des résultats similaires ont été obtenus lorsque l'on a comparé l'erreur globale de simulation des quatre cultures, soit en divisant ces dernières en deux phases successives (phase exponentielle, puis plateau) et en utilisant d'un seul bloc l'ensemble de chacune des cultures sans changement de paramètres. En outre, l'analyse des flux métaboliques effectuée, par simulations, a permis de constater que le métabolisme cellulaire est généralement très robuste et est peu affecté par les perturbations extérieures testées ici. Ces résultats permettent de confirmer l'applicabilité du modèle pour comparer différents types de milieux de culture et de stratégies d'alimentation. Le modèle proposé dans le cadre de ce mémoire de maîtrise est donc utile puisqu'il permet de prédire le comportement de cellules CHO selon différentes stratégies de cultures, ouvrant la voie pour des applications utiles à la planification d'expérience et à l'optimisation de bioprocédés de production.  ABSTRACT: The production of monoclonal antibody (mAb) by mammalian cell culture is now a well established technology, after decades of intensive research. Significant improvements have been achieved through experimentation at all bioreactor scales, mainly based on intuition, enabling current production bioprocesses reaching high productivity while maintaining high cell concentration for extended time. Indeed, a significant amount of work has been made studying and describing CHO cell metabolism, identifying metabolic traits associated to culture behaviour. Combining these knowledge on cell metabolism and from bioreactor cultures, it was possible to optimize culture media composition as well as bioreactor culture feeding strategies. However, bioprocess productivity and reproductivity level vary among biosystems. Indeed, an efficient analysis of cell metabolism and process optimization require tools that can be descriptive and predictive, proposing optimized solutions and analyzing experimental results . With that in mind, the present masters thesis' aim was to propose a mathematical model that satisfies those criteria. A dynamic model of CHO cells metabolism is thus presented in this thesis, calibrated, analyzed and challenged with experimental data. The model, having as only input the culture initial conditions such as the extracellular and intracellular concentrations of nutrients and metabolites, simulates the concentration profiles of metabolites (intracellular and extracellular), cell growth, antibody production as well as metabolic flux dynamics. The model includes the kinetic description of the metabolic flux rates by equations derived from known biochemical mechanisms, and mass balances based on the stoichiometry of the cell's central carbon metabolism including glycolysis, TCA cycle, pentose phosphate pathway amino acid metabolism, mAb synthesis and energetic metabolism. The model presented here represents a further development from previous work on the modeling of another CHO cell line. It is specifically designed to simulate the effect of environmental disturbances such as variations of the initial medium compositions and of nutrients feeding strategies. In order to fine-tune the model structure as well as the values of the kinetic parameters, the model was calibrated on four different bioreactor cultures. Batch and fed-batch cultures were performed using two different media. A sensitivity analysis was performed on model parameters of which 20 were identified as the most sensitive ones, which values have been optimized to minimize the simulation error with respect to experimental data. This was also helpful to identify the metabolic vii pathways affected by the most sensitive parameters. The model parameter values optimization step was performed following various strategies: using experimental data of all cultures, and distinct data subsets such as batch or fed-batch cultures only, and for each culture media. Studying confidence intervals (95%) of model parameter values determined from each data sets, we show that a limited set of model parameters could describe CHO cultures irrespectively to the medium composition or the batch and fed-batch strategy. Similar conclusion can be drawn dividing the culture into exponential growth and plateau phases, estimating distinct parameter values in each phase, versus a model that simulates the entire culture without any parameters change. The resulting model was then used to perform a dynamic metabolic flux analysis, which revealed that the metabolism of the recombinant CHO cell line in this study is highly robust and highly regulated; the external perturbations having little effect on flux distribution. This work thus confirms the applicability of the dynamic model as an in silico platform to study different types of culture media and medium feeding strategies. The model could be used to help plan experiments or to optimize culture process.


identifier: Garneau, J.-F. (2015). Réhabilitation sismique des piles-murs de pont rectangulaires par chemisage en béton fibré à ultra-haute performance  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'amélioration continuelle des connaissances sur la sismicité et la réponse dynamique des structures au courant des dernières années a révélé la présence de certaines lacunes dans la fabrication des plus vieilles constructions. En effet, les plus récentes exigences de conception incluent des nouveaux détails absents auparavant qui permettent d'assurer un comportement ductile. Par conséquent, les structures existantes qui sont déficientes au niveau sismique doivent être mises à niveau par une réhabilitation ou carrément remplacées. Le second choix s'avère, dans plusieurs cas, inutilement trop coûteux. Le développement de méthodes de réhabilitation est donc nécessaire pour améliorer le comportement de ces structures de façon économique. Parmi les défauts les plus courants, il y a la présence de joints de chevauchement dans la zone de formation de la rotule plastique et le manque de confinement du noyau de béton (manque d'armature transversale, absence de crochets sismiques à 135 degrés, barres longitudinales non retenues contre le flambement, etc.). Plusieurs méthodes ont été proposées pour régler ces problèmes, mais aucune ne s'applique efficacement à des piles de pont fortement rectangulaires. Une méthode de réhabilitation récemment développée à l'École Polytechnique de Montréal permet la réhabilitation sismique des piles de ponts de tous types en utilisant un nouveau matériau, le Béton Fibré à Ultra-haute Performance (BFUP).  ABSTRACT: The continual improvement of knowledge about seismicity and the dynamic response of structures in recent years has revealed some shortcomings in the oldest structures. Indeed, the latest design requirements include new details absent earlier that ensure ductile behaviour. Therefore, the existing structures that are deficient at the seismic level must be upgraded by rehabilitation or be replaced. The second choice is in many cases unnecessarily expensive. The development of rehabilitation methods is needed to improve the behaviour of these structures economically. Among the most common defects, there is the presence of lap joint in the region of the plastic hinge and the lack of containment of the concrete core (lack of transverse reinforcement, no seismic hooks, longitudinal bars not supported against buckling, etc.). Several methods have been proposed to solve these problems, but none apply efficiently to highly rectangular bridge piers. A method recently developed at École Polytechnique of Montréal allows the seismic rehabilitation of bridges piers using a new concrete material, the Ultra-High Performance Fibre Reinforced Concrete (UHPFRC).


identifier: Talwar, B. S. (2015). Investigation of the Effect of Mixing Methods and Chemical Treatments on the Conductivity of the CNT/PLA Based Composites  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La popularité croissante de l'acide polylactique (PLA) est liée à sa biocompatibilité, ses bonnes propriétés mécaniques, et sa synthèse possible à partir de ressources renouvelables. Le PLA peut être mélangée avec des charges conduisant l'électricité (par exemple des nanotubes de carbone (NTC)) pour former des composites conducteurs à base de polymères (CPC). Ces charges amènent la fonction conductrice grâce à la formation de chemins de percolation. Très légers, les CPC ont le potentiel de remplacer les métaux dans l'industrie électronique s'ils atteignent des conductivités électriques similaires. Les problèmes actuels qui se posent lors du mélange de nanotubes de carbone dans une matrice de polymère sont la formation d'agrégats en raison des forces de van der Waals puissantes, et la rupture des nanotubes de carbone au cours de la dispersion. Dans cette étude, nous comparons: (1) deux méthodes de fabrication pour créer des CPC (soit le mélange de solution par ultra-sons et l'extrusion) (2) les effets des différentes techniques de fonctionnalisation NTC (c'est à dire, traitements par acide ou plasma) et (3) l'effet de l'utilisation de molécules de liaison telle que la para-phénylènediamine, qui agissent comme des ponts entre les NTC dans le CPC, et l'effet sur la conductivité des CPC. Ces matériaux composites conducteurs peuvent trouver des applications technologiques diverses qui soit nécessitent, soit peuvent bénéficier, de la capacité à réaliser des éléments avec des motifs microscopiques dans des architectures en deux dimensions (2D) et en trois dimensions (3D). Une technique de fabrication en écriture directe est utilisée pour réaliser ces motifs imprimés, en utilisant la solution de CPC comme encre. Tout d'abord, les composites comprenant 30% massique de PLA dans du dichlorométhane (DCM) et des NTC à différentes concentrations (jusqu'à 5 %massique) sont fabriqués par une méthode en deux étapes de traitement par ultrasons (c'est à dire dissoudre le PLA dans du DCM, puis la disperser des NTC dans la solution de polymère). Deuxièmement, les CPC sont fabriqués en utilisant une micro extrudeuse à double vis fonctionnant à 180⁰C. Pour vérifier les effets de la fonctionnalisation des nanotubes de carbone sur la conductivité des matériaux composites, les NTC sont fonctionnalisés par trois méthodes: - fonctionnalisation par l'acide HNO₃, fonctionnalisation par acide (plus fort) HNO₃ + H₂SO₄ avec un ratio de 3 :1, et fonctionnalisation par plasma N₂.  ABSTRACT: The growing popularity of Poly lactic acid (PLA) is mainly due to its biocompatibility, good mechanical properties, and its synthesis from renewable resources. PLA can be compounded with electrically conductive fillers (e.g., carbon nanotubes (CNTs)) to form conductive polymer composites (CPCs). These fillers provide conductive functionality to the composite material by forming percolation paths. Featuring very low weight densities, CPCs have the potential to replace metals in the electronic industry, if they exhibit similar electrical conductivities to that of the metals. The current challenges being faced during the mixing of CNTs in the polymer matrix are: formation of aggregates due to strong van der Waals forces and breakage of CNTs during dispersion. In this study, we compare: (1) two fabrication methods to create CPCs (i.e., solution mixing by sonication and melt extrusion) (2) effect of various CNT functionalization techniques (i.e., acid and plasma treatments) on the conductivity of CPCs and (3) effect of using binding molecules like para-phenylenediamine, that act as bridges in between the CNTs in the CPCs and its effect on the conductivity of CPCs. Such conductive composite materials find widespread technological applications which either require, or could benefit from, the ability to pattern micro-sized features in two-dimensional (2D) and three-dimensional (3D) architectures. Direct-write fabrication technique is used to realise these printed patterns, using the CPC solution as ink. First, the composites comprising of 30% PLA by weight in Dichloromethane (DCM) and CNTs in different concentrations (up to 5wt. %) are fabricated using a two-step sonication method (i.e., dissolving PLA in DCM and then dispersing the CNTs in this polymer solution). Second, CPCs are fabricated using a twin screw micro extruder operating at 180⁰C. To verify the effects of functionalization of the CNTs on the conductivity of composites, the CNTs are functionalized by three methods: HNO₃ acid functionalization, 3:1 ratio HNO₃ + H₂SO₄ acid (stronger) functionalization and N₂ plasma functionalization. To check the effect of amine binding molecules, HNO₃ acid functionalized CNTs are treated with a mixture of para-phenylenediamine and aniline in an acidic solution. These chemically treated CNTs are then mixed with PLA to form composites. CPC fibers are drawn using the solvent-cast printing method.


identifier: Decaen, S. (2015). Amélioration du comportement sismique des assemblages à cisaillement simple des contreventements concentriques en X en acier de construction conventionnelle (type CC)  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les contreventements en X sont souvent utilisés pour reprendre les charges sismiques d'une structure en acier. Ceux-ci sont généralement constitué de diagonales de profilé HSS, dont une est continue et l'autre discontinue. Leur point d'intersection est constitué d'une plaque de gousset traversant et soudée à la diagonale continue qui est boulonnée à des plaques de transfert, elles-mêmes soudées aux diagonales discontinues. L'assemblage se fait en cisaillement simple ce qui introduit une excentricité locale. Les études expérimentales de Gélinas (2013) ont permis de constater que le comportement de ce type de dimensionnement est caractérisé par l'instabilité de l'assemblage central plutôt que le flambement des diagonales comme prévu par le CNB (2010) et la norme CSA S16 (2009). Aussi, ces essais ont mis en évidence l'influence considérable du dimensionnement de la connexion sur le comportement des contreventements en X.  ABSTRACT: X-bracings are often used to support seismic loads of a steel structure. These are generally made of braces of HSS profile, one of which is continuous and the other is discontinuous. Their intersection is made of a gusset plate crossing and welding to the continuous brace which is bolted to transfer plates, themselves welding to the discontinuous braces. The connection is in single shear which introduces a local eccentricity. The experimental studies of Gélinas (2013) shown that the behavior of this type of design is characterized by the instability of the middle connection instead of the brace as provided by the CNB (2010) and the norm CSA S16 (2009). Also, these tests have demonstrated the considerable influence of the design of the connection on the behavior of the X-bracing.


identifier: Lévesque, A. T. (2015). Development of an Overset Structured 2D RANS/URANS Navier-Stokes Solver Using an Implicit Space and Non-Linear Frequency Domain Time Operators  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet s'intéresse au développement de méthodes avancées afin de réaliser des simulations numériques en mécanique des fluides. Plus particulièrement, ces méthodes s'appliqueront aux modèles RANS et URANS sur des profils aérodynamiques simples et multiéléments. Ces développements seront utilisés afin de réaliser une optimisation sur l'interstice et le chevauchement d'un volet de bord de fuite ainsi que des simulations instationnaires standard.  Le logiciel utilisé comme plateforme de développement est NSCODE, un solveur Navier-Stokes bidimensionnel pour maillages structurés. Les développements logiciels seront réalisés dans un cadre rigoureux et en utilisant des techniques de programmations appropriées. Les méthodes implémentées viseront plusieurs aspects du solveur incluant les capacités topologiques, l'opérateur spatial et l'opérateur temporel. Afin de traiter les profils multi-éléments, la méthode multi-blocs sera implémentée afin de partitionner le domaine de calcul. La méthode chimère est ensuite implémentée afin d'améliorer la flexibilité de la méthode multi-blocs. Le schéma de dissipation artificielle scalaire est ensuite remplacé par le schéma de dissipation matricielle afin d'améliorer la précision du solveur. Un schéma d'opérateur spatial utilisant un préconditionneur Jacobien implicite par point ainsi qu'un schéma implicite Block Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel (LU-SGS) sont ensuite implémentés afin d'améliorer le taux de convergence du solveur. L'opérateur temporel par pas de temps double présent dans le logiciel initial est adapté afin d'être compatible avec les différents schémas d'opérateurs spatiaux utilisés. Un opérateur temporel Non-Linéaire dans le Domaine Fréquentiel (NLFD) est ensuite implémenté afin de résoudre efficacement les écoulements instationnaires périodiques.  Chacune des méthodes implémentées est validée et vérifiée en utilisant des cas tests utilisés dans la littérature ainsi qu'avec des résultats expérimentaux. Une grande variété de cas tests sont utilisés afin de s'assurer de la fiabilité du solveur lors des applications futures. Les implémentations logicielles sont ensuite utilisés afin de résoudre deux problèmes: • Une optimisation de dispositif hypersustentateur; • Une simulation dans le domaine fréquentiel d'un profil aérodynamique en tangage dans un écoulement turbulent.  L'optimisation du dispositif hypersustentateur vise à maximiser le coefficient de portance du profil de recherche MDA en modifiant la position du volet de bord de fuite. En utilisant une optimisation utilisant des simulations purement bidimensionnelles en parallèle à une optimisation utilisant des simulations tridimensionnelles utilisant l'hypothèse d'aile en flèche infinie, la démonstration est faite qu'une optimisation bidimensionnelle n'est pas adaptée au design de dispositifs hypersustentateurs sur des ailes en flèches. La seconde application a pour but d'introduire un modèle de turbulence aux simulations NLFD dans NSCODE. En tant qu'étape vers l'utilisation de modèles de turbulence à une et deux équations, un modèle algébrique est utilisé. Ce problème vérifiera donc l'utilisation d'un modèle de turbulence algébrique sur un opérateur NLFD. La simulation NLFD d'un profil en tangage dans un écoulement turbulent donne des résultats en accord avec la littérature et avec les simulations par pas de temps double ce qui ouvre la voie à l'utilisation de modèles de turbulence plus complexes avec la méthode NLFD.  ABSTRACT: This project aims at performing 2D RANS and URANS computational fluid dynamics simulations over single and multi-element airfoil. The application of such developments is demonstrated via flap gap/overlap optimisation and standard URANS cases. The work presented in this thesis was implemented in NSCODE, a 2D structured grid Reynolds-Averaged Navier-Stokes flow solver, and is included in a solid framework to ensure its quality and maintainability. It covers many aspects of the flow solver, including topology capabilities, steady and unsteady solver schemes. To simulate flows around complex geometries, the multi block technique is implemented in order to partition the computational domain. The multi block capability is then expanded to overset meshes with the Chimera method to allow for even more flexibility in geometry treatment. The existing scalar dissipation scheme is replaced by the matricial artificial dissipation scheme (MATD) to increase spatial resolution accuracy. A point implicit Point-Jacobi Preconditioner and an implicit Block Lower-Upper Symmetric Gauss Seidel (LU-SGS) space solving scheme are then implemented to increase convergence rates. The time discretization schemes are also improved. The baseline dual time stepping scheme is modified to be compatible with the LU-SGS solver schemes. A Non-Linear Frequency Domain is also added to the software in order to efficiently solve periodic problems.  Each of these techniques is validated and verified against literature data and experimental data. A wide range of test case is chosen in order to ensure full confidence in the developed software. The software capability developments are then used to solve two problems:  • A high-lift airfoil optimisation; • An unsteady simulation of turbulent flows in the frequency domain of a pitching airfoil. The high-lift airfoil optimisation seeks to maximise the lift coefficient of the McDonnel Douglas Research airfoil by changing the flap's position. Using a two dimensional approach in parallel to a three dimensional approach with infinite swept wing hypothesis, a physical phenomenon that couldn't be previously observed on two dimensional solvers was captured. The second case sought to introduce a turbulence component to the NLFD implementation in NSCODE. As a step before using one and two equations turbulence models, an algebraic turbulence model is used in the study. This problem will thus test the applicability of an vii algebraic turbulence model to the NLFD method. The NLFD resolution of a turbulent pitching airfoil yielded results that validated very well with the literature and equivalent Dual Time Stepping resolutions, paving the way for the use of more complex turbulence models in NLFD resolutions.


identifier: Han, Q. (2015). L'électroarthrographie : problèmes direct et inverse  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'électroarthrographie (EAG) est une nouvelle technique de mesure des potentiels électriques apparaissant sur la surface d'une articulation diarthrodiale durant la mise en charge de cette articulation. Une étude clinique a récemment démontré que les signaux EAG enregistrés sur la surface du genou proviennent du cartilage articulaire et que la diminution de leur amplitude reflète la dégradation du cartilage chez les patients souffrant d'arthrose. Le mécanisme sous-jacent est associé au déplacement des charges électriques dans la phase liquide du cartilage lorsqu'il est soumis à une force de compression. Ce phénomène produit des potentiels électriques que l'on peut mesurer directement sur la surface du cartilage et qui sont nommés « potentiels d'écoulement ». Les propriétés électromécaniques du cartilage ont déjà fait l'objet d'études in vitro qui ont également révélé que l'amplitude des potentiels d'écoulement reflète l'état de santé du cartilage. Ces résultats suggèrent ainsi que l'électroarthrographie pourrait constituer une nouvelle technique de diagnostic de l'arthrose. Cette technique offrirait plusieurs avantages, comme le faible coût de l'instrumentation, la simplicité de son opération par les utilisateurs, le confort pour les patients, la possibilité de détection précoce de l'arthrose. Toutefois, cette technique n'en est qu'à ses débuts et plusieurs questions restent à résoudre. Notre démarche a pour but de contribuer au développement de l'électroarthrographie à l'aide de simulations numériques. La modélisation des phénomènes bioélectriques est bien établie pour l'électrocardiographie, l'électroencéphalographie et l'électromyographie, mais la transmission des potentiels d'écoulement depuis le cartilage jusqu'à la surface du genou n'a pas été modélisée jusqu'à présent. La modélisation des signaux EAG pourrait ainsi permettre une meilleure compréhension de la nature de ces signaux et contribuer à l'établissement de critères d'analyse et d'interprétation. Notre étude se divise en deux parties : le problème direct et le problème inverse. Le problème direct permet d'établir le lien entre le comportement électrique du cartilage et la distribution de potentiel sur la surface du genou. Le genou est représenté comme un volume conducteur composé de différentes régions caractérisées par des conductivités électriques spécifiques (os, muscle, gras, cartilage).  ABSTRACT: Electroarthrography (EAG) is a new technique for measuring electrical potentials appearing on the surface of a diarthrodial joint during the mechanical loading of this joint. A clinical study has recently shown that EAG signals recorded on the surface of the knee originate from articular cartilage and that a decrease of their amplitude reflects cartilage degradation in patients with osteoarthritis. The underlying mechanism is associated with the movement of electric charges in the liquid phase of the cartilage when subjected to a compressive force. This phenomenon produces electrical potentials that can be measured directly on the surface of the cartilage and that are called “streaming potentials”. The electromechanical properties of the cartilage have been investigated with in vitro studies that have also shown that the amplitude of the streaming potentials reflects cartilage health. These results suggest that electroarthrography could be used as a new diagnostic technique for osteoarthritis. This technique has several advantages such as low cost, simplicity of use, comfort for patients and the possibility of early detection of osteoarthritis. However, this technique is still in its infancy and many questions remain. Our goal is to contribute to the development of electroarthrography using numerical simulations. The modeling of bioelectric phenomena is well established for electrocardiography, electroencephalography and electromyography, but the transmission of streaming potentials from the cartilage to the surface of the knee has not been modeled before. Modeling EAG signals could thus provide a better understanding of the nature of EAG signals and contribute to the establishment of analytical and interpretive criteria. Our study is divided into two parts: the forward problem and the inverse problem. The forward problem establishes the link between the electrical behavior of cartilage and the potential distribution on the surface of the knee. The knee is represented as a volume conductor composed of different regions with specific electrical conductivities (bone, muscle, fat, cartilage). In these models, the source of the EAG signals is represented by a current density imposed in the different sections of articular cartilage underneath the two condyles.


identifier: Bédard, É. (2015). Operational Factors Influencing Occurrence and Risk Exposure to Pseudomonas Aeruginosa and Legionella Pneumophila from Hospital Water Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La qualité microbienne de l'eau potable peut être altérée dans la plomberie interne de grands bâtiments. Les bactéries opportunistes telles que Legionella pneumophila et Pseudomonas aeruginosa sont présentes et même amplifiées dans les systèmes internes de distribution d'eau et peuvent représenter un risque pour la santé aux points d'utilisation (robinets, pomme de douche, etc.). La formation du biofilm, la stagnation périodique, les rapports surface-volume élevés ainsi que des plages de températures variables sont des facteurs caractéristiques des réseaux de plomberie interne pouvant favoriser la croissance bactérienne. L. pneumophila est une bactérie souvent associée aux systèmes de distribution d'eau chaude. Dans les établissements de santé, plusieurs pays prônent une bonne gestion de la température de l'eau afin de prévenir la prolifération des légionelles dans les réseaux de distribution d'eau. P. aeruginosa est à l'origine de plusieurs épidémies en milieu hospitalier, souvent directement ou indirectement liées au système d'eau. P. aeruginosa est principalement détecté dans les échantillons d'eau froide au robinet et dans le biofilm de l'aérateur, du robinet ou du drain. Ces deux bactéries opportunistes peuvent demeurer dans le système d'eau pour de longues périodes et sont difficiles à éradiquer une fois la contamination établie.  ABSTRACT: Microbial quality of drinking water can be altered in the premise plumbing of large buildings. Opportunistic pathogens such as Legionella pneumophila and Pseudomonas aeruginosa are present and even amplified in the water distribution system of large buildings and represent a health risk at points-of-use (taps, shower head, etc). Biofilm formation, periodical stagnation, high surface-to-volume ratios, and favorable temperatures are characteristics of the premise plumbing system that can promote bacterial growth. Legionella pneumophila is frequently detected in hot water distribution systems and thermal control is a common measure implemented by healthcare facilities. Pseudomonas aeruginosa is a source of outbreaks, especially in intensive care units (ICU) and several of these outbreaks have been directly or indirectly linked to water systems. P. aeruginosa is primarily detected in cold water and faucet biofilm samples, specifically at the distal end of the water system. Both of these opportunistic pathogens can persist for prolonged periods of time once contamination is established.


identifier: Daviau-Desnoyers, D. (2015). Caractérisation et modélisation de l'évolution de la fissuration des bétons renforcés de fibres sous charge soutenue  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'accroissement des connaissances scientifiques associées aux performances structurales et à la durabilité des bétons renforcés de fibres (BRF) illustre le potentiel énorme que les fibres peuvent amener aux ouvrages en béton alors que le développement d'un vaste éventail d'applications démontre l'intérêt grandissant de l'industrie. Afin de répondre aux enjeux modernes que pose la durabilité, il est nécessaire de maîtriser et d'anticiper les problèmes de fissuration. Ce projet de thèse a pour objectif d'identifier les mécanismes conduisant à la propagation de la fissuration sous charge soutenue, et de modéliser ces mécanismes par la méthode des éléments finis. Pour ce faire, trois programmes expérimentaux et les essais de caractérisation associés furent conduits sur des éprouvettes de différentes tailles en BRF : des poutrelles de 0.7 mètre ; quatre poutres de 4 mètres, une renforcée de fibres uniquement, une renforcée de barres d'armature crénelées, une de torons adhérents, et une de torons non-adhérents ; et enfin une poutre de 8 mètres armées des fibres uniquement. Les résultats permettent de comparer l'évolution du comportement global (flèche, complaisance, etc.) et du comportement local (ouvertures de fissures, nombre de fissures, etc.) pour trois grandeurs de poutres, et pour des conditions de renforcement différentes.  ABSTRACT: The growing scientific knowledge related to the structural performance and durability of steel fibre reinforced concrete (SFRC) demonstrates the enormous potential that fibres can provide to reinforced concrete structures while the development of a broad variety of applications shows the interest of the industry. In order to address modern durability concerns, it is necessary to control and anticipate cracking problems. This thesis aims to identify the thriving mechanisms of crack propagation under sustained loading, and simulate these mechanisms using a finite element approach. Three experimental programs were conducted on different SFRC specimen sizes: beams of 0.7 m; four beams of 4 m, one reinforced with steel fibres only, one with reinforcing bars, one with bonded strands and one with unbonded strands; and one beam of 8 m with steel fibres only. The results are used to compare the evolution of the global behaviour (deflection, compliance, etc.) and the local behaviour (crack openings, number of cracks, etc.) for three beam sizes and reinforcement conditions.


identifier: Carpentier, S. (2015). Planification stratégique d'une mine souterraine en tenant compte de l'incertitude géologique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La planification à long terme des projets miniers est marquée par de nombreux paramètres incertains. Parmi ceux-ci, l'incertitude géologique est considérée comme étant l'élément problématique principal étant donné qu'il est fréquemment la cause de l'échec d'un projet. Aussi, les coûts engendrés lors de la campagne de forage d'exploration sont faramineux et il est donc nécessaire de bien représenter, interpréter et surtout, utiliser les données recueillies. Conventionnellement, pour les opérations minières souterraines, une méthode d'estimation est utilisée pour reproduire un modèle de gisement, mais elle engendre la destruction d'informations précieuses telles que la variabilité et les valeurs extrêmes. C'est dans ce contexte que ce projet a pris forme, visant à intégrer l'incertitude géologique pendant la phase de planification stratégique minière. L'approche préconisée dans ce mémoire est l'optimisation stochastique. D'abord, l'objectif est de mettre sur pied un modèle mathématique permettant l'ordonnancement des activités minières souterraines en tenant compte de l'incertitude géologique. Il est démontré que cette méthode permet une meilleure gestion des risques géologique, c'est-à-dire qu'elle améliore l'exactitude de la prédiction des objectifs de production. Les résultats obtenus sont concluants puisqu'on obtient une augmentation de la valeur attendue du projet et que l'on note une diminution de l'écart entre les quantités des indicateurs de production par rapport aux objectifs. Toutefois, la taille de ce type de problème rend la résolution difficile. Les prochaines avenues de recherche devraient porter sur la considération des paramètres incertains du problème et sur le développement de stratégies d'accélération afin de diminuer le temps de résolution tout en maintenant la qualité de la solution.  ABSTRACT: Long term mine planning is characterized by several uncertain parameters. Among these, geological uncertainty is the most critical due to its major impact on project feasibility. Indeed, an unexpected mine closure is frequently explained by an overvalued economic potential of the deposit. Furthermore, costs associated to exploration drilling are substantial and consequently, it is imperative to well represent, interpret and use the data collected. Conventionally, deterministic approaches are selected for underground mine planning where an estimated representation of the orebody is used. However, this type of reproduction leads to destruction of extreme values and misrepresentation of the grade variability. This context inspired the subject of this thesis, where, mainly, it aims to integrate and to manage risks related to geological uncertainty while optimizing long-term underground schedule. The selected approach is a stochastic optimization using a set of simulations corresponding to the deposit. First, the objective consists on developing a mathematical model for mine scheduling while considering geological uncertainty. It also aims for risk management regarding production targets. The method suggested is applied to a case study and results obtained are conclusive. Indeed, it leads to a significant increase of the project NPV and an improvement of risk management regarding production expectations. However, the large size of this problem made the resolution difficult and that is why, further studies should work on acceleration strategic without compromising the results quality.


identifier: Maazoun, W. (2015). Conception et analyse d'un système d'optimisation de plans de vol pour les avions  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de cette thèse est de développer une méthode d'optimisation pour la préparation des plans de vol d'avion qui minimisent tous les coûts associés au vol. On doit calculer une trajectoire optimale pour un avion devant aller d'un aéroport de départ à un aéroport d'arrivée. La trajectoire optimale minimise la somme de tous les coûts, c'est-à-dire le coût du carburant plus le coût du temps (salaires, location de l'appareil, retards à l'arrivée, etc.). La trajectoire optimale est obtenue en considérant toutes les trajectoires possibles sur un graphe 3D (longitude, latitude et altitude) où on utilise des niveaux d'altitude espacés de 2000 pieds, et en appliquant un algorithme de plus court chemin. L'essentiel du travail de cette thèse a été de calculer correctement la consommation de carburant sur chaque arc du graphe, en s'assurant que chaque arc ait un coût minimal et soit parcouru d'une façon réaliste du point de vue du pilotage, en respectant toutes les règles de navigation. Le calcul de coût d'un arc tient compte des conditions météorologiques (température, pression, composantes du vent, etc.). L'optimisation de chaque arc se fait à partir de l'évaluation d'une vitesse optimale qui tient compte de tous les coûts. Chaque arc du graphe comporte en général plusieurs sous-phases de vol (changement d'altitude, changement de vitesse,  vitesse et altitude constante pour un arc en phase de croisière). En phase de montée initiale et de descente finale, on détermine les coûts en utilisant une vitesse CAS (pour Calibrated Air Speed en anglais) constante ou un nombre de Mach constant de telle sorte que la trajectoire soit optimale. La modélisation aérodynamique utilisée est celle qui est proposée par Eurocontrol. Elle utilise les tables BADA (pour \emph{Base of Aircraft Data} en anglais). Cette modélisation se base sur l'équation de l'énergie totale. Cette équation permet de déterminer la consommation instantanée de carburant. Le calcul des coûts sur chaque arc passe par la résolution d'un système d'équations différentielles qui comptabilise systématiquement tous les coûts.  Pour calculer le coût d'un arc, on doit connaître le temps nécessaire pour le parcourir, qui est généralement inconnu. Pour avoir des conditions aux frontières bien définies, on a utilisé le déplacement horizontal comme variable indépendante du système d'équations différentielles. On a considéré les composantes de la vitesse du vent dans un référentiel en trois dimensions pour calculer la vitesse instantanée de l'avion par rapport au sol. Notre modélisation du problème permet de calculer les coûts de chaque arc d'une façon réaliste et sans changement brusque de vitesse ou d'altitude. Pour tenir compte du coût du temps, on a utilisé l'indice du coût (CI pour Cost Index en anglais). Le coût d'un arc dépend de la masse de l'avion au début de cet arc, et cette masse dépend de la trajectoire qui précède. Comme on considère toutes les trajectoires possibles, il s'ensuit que le coût d'un arc doit être calculé pour chacune des trajectoires à laquelle il appartient. Pour un long trajet, le nombre d'arcs à considérer dans le graphe est grand et donc le coût d'un arc est typiquement calculé un grand nombre de fois. Le temps de calcul du coût d'un arc est donc un critère important. Notre algorithme exécute le calcul des coûts d'un million d'arcs en quelques secondes tout en ayant une grande précision. La détermination de la trajectoire optimale pourrait donc se faire en un temps très court. Pour qu'une trajectoire soit optimale, il faut que la masse de l'avion au départ soit aussi optimale. Il faut donc connaître la quantité de carburant optimale pour le trajet. Comme on connaît la masse de l'avion à l'arrivée, qui est la masse de l'avion incluant les passagers, le cargo et la masse de carburant de réserve, on détermine la trajectoire optimale en effectuant un calcul à rebours, c'est-à-dire du point d'arrivée au point de départ. Pour la détermination de la trajectoire optimale, on a utilisé une grille elliptique qui a comme foyers les points de départ et d'arrivée. L'utilisation de cette grille est essentielle pour nous permettre d'avoir un graphe dirigé et acyclique. L'algorithme du plus court chemin utilisé est le plus court chemin sur un DAG (pour Direct Acyclic Graph en anglais). Cet algorithme est facile à implémenter et nous permet d'avoir un temps d'exécution très court. Notre algorithme respecte les niveaux d'altitude et fournit une trajectoire optimale en ayant un coût optimal pour chaque arc. Les changements d'altitude se font d'une façon optimale selon la masse de l'avion et le coût du temps. Cet algorithme donne la masse, la vitesse, l'altitude et le coût total en tout point de la trajectoire ainsi que les profils optimaux de montée et de descente. Un prototype a été implémenté en langage C. On a fait des simulations des différents types d'arcs possibles ainsi que des trajectoires complètes pour illustrer le comportement de l'algorithme. On présente dans cette thèse les méthodes utilisées ainsi que les résultats obtenus.  ABSTRACT: The main objective of this thesis is to develop an optimization method for the preparation of flight plans for aircrafts. The flight plan minimizes all costs associated with the flight. We determine an optimal path for an airplane  from a departure airport to a destination airport. The optimal path minimizes the sum of all costs, i.e. the cost of fuel added to the cost of time (wages, rental of the aircraft, arrival delays, etc). The optimal trajectory is obtained by considering all possible trajectories on a 3D graph (longitude, latitude and altitude) where the altitude levels are separated by 2,000 feet, and by applying a shortest path algorithm. The main task was to accurately compute fuel consumption on each edge of the graph, making sure that each arc has a minimal cost and is covered in a realistic way from the point of view of control, i.e. in accordance with the rules of navigation. To compute the cost of an arc, we take into account weather conditions (temperature, pressure, wind components, etc). The optimization of each arc is done via the evaluation of an optimum speed that takes all costs into account. Each arc of the graph typically includes several sub-phases of the flight, e.g. altitude change, speed change, and constant speed and altitude. In the initial climb and the final descent phases, the costs are determined by considering altitude changes at constant CAS (Calibrated Air Speed) or constant Mach number. CAS and Mach number are adjusted to minimize cost. The aerodynamic model used is the one proposed by Eurocontrol, which uses the BADA (Base of Aircraft Data) tables. This model is based on the total energy equation that determines the instantaneous fuel consumption. Calculations on each arc are done by solving a system of differential equations that systematically takes all costs into account. To compute the cost of an arc, we must know the time to go through it, which is generally unknown. To have well-posed boundary conditions, we use the horizontal displacement as the independent variable of the system of differential equations. We consider the velocity components of the wind in a 3D system of coordinates to compute the instantaneous ground speed of the aircraft. To consider the cost of time, we use the cost index. The cost of an arc depends on the aircraft mass at the beginning of this arc, and this mass depends on the path. As we consider all possible paths, the cost of an arc must be computed for each trajectory to which it belongs. For a long-distance flight, the number of arcs to be considered in the graph is large and therefore the cost of an arc is typically computed many times. Our algorithm computes the costs of one million arcs in seconds while having a high accuracy. The determination of the optimal trajectory can therefore be done in a short time. To get the optimal path, the mass of the aircraft at the departure point must also be optimal. It is therefore necessary to know the optimal amount of fuel for the journey. The aircraft mass is known only at the arrival point. This mass is the mass of the aircraft including passengers, cargo and reserve fuel mass. The optimal path is determined by calculating backwards, i.e. from the arrival point to the departure point. For the determination of the optimal trajectory, we use an elliptical grid that has focal points at the departure and arrival points. The use of this grid is essential for the construction of a direct and acyclic graph. We use the Bellman-Ford algorithm on a DAG to determine the shortest path. This algorithm is easy to implement and results in short computation times. Our algorithm computes an optimal trajectory with an optimal cost for each arc. Altitude changes are done optimally with respect to the mass of the aircraft and the cost of time. Our algorithm gives the mass, speed, altitude and total cost at any point of the trajectory as well as the optimal profiles of climb and descent. A prototype has been implemented in C. We made simulations of all types of possible arcs and of several complete trajectories to illustrate the behaviour of the algorithm.