identifier: Maltais Larouche, S. (2016). Détection de faute automatique dans les systèmes solaires thermiques basée sur la vérification de règles et la simulation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les chauffe-eau solaires sont souvent considérés lorsqu'il est question de solutions permettant la production d'eau chaude domestique tout en réduisant les coûts en énergie et les émissions de gaz à effet de serre. Bien que leur coût diminue, les systèmes solaires thermiques nécessitent un investissement initial plus grand que les systèmes conventionnels, et ce surcoût est compensé par une facture énergétique réduite. Afin d'assurer leur rentabilité, il est donc impératif que ces systèmes délivrent des performances satisfaisantes pendant l'entièreté de leur durée de vie utile. Malheureusement, il n'est pas rare que les chauffe-eau solaires rencontrent des problèmes qui font en sorte que les économies d'énergies ne sont pas au rendez-vous et même dans certains cas, que leur durée de vie soit réduite. Ces problèmes sont causés par plusieurs facteurs tels qu'une mauvaise sélection de composants lors de la conception, une installation inadéquate et un manque d'entretien. De plus, il n'est pas rare qu'un problème reste caché du propriétaire pendant une longue période de temps, car un appoint permet généralement de fournir la totalité de la demande en eau chaude domestique. Ainsi, un système peut ne pas fonctionner pendant des mois et même des années sans symptôme apparent du côté consommateur. Dans cette optique, il est important de trouver des méthodes permettant de prévenir les propriétaires aussitôt qu'un problème survient. Ce mémoire présente une méthode de détection de faute automatique développée pour les chauffe-eau solaires basée sur deux niveaux. Le premier niveau consiste à faire le suivi des conditions d'opération d'un système (e.g. températures, débits, pression, etc.) et de s'assurer que celles-ci respectent des règles préétablies. Dans le second niveau, les performances quotidiennes du circuit solaire ainsi que de l'appoint sont évaluées par l'entremise de simulations énergétiques sur le logiciel TRNSYS. Les performances estimées sont ensuite comparées avec celles mesurées afin de déterminer si l'écart est significatif. Une validation de la méthode a été effectuée en utilisant près de trois ans de données de fonctionnement d'un chauffe-eau solaire composé de 11 panneaux à tube sous vide d'une superficie totale de 35.5m2 situé à l'Accueil Bonneau à Montréal, Canada. La validation a également servi à déterminer s'il était possible de réduire la quantité de travail nécessaire à la construction d'un modèle tout en permettant une détection de fautes adéquate.  ABSTRACT: Solar hot water systems are often considered to lower the energy costs and greenhouse gas emissions related to the production of domestic hot water. Although the capital costs associated with solar domestic hot water systems are decreasing each year, they are still significantly higher than conventional solutions, and these extra costs are compensated by reduced energy bills. In order to be economically viable, these systems must then deliver a satisfactory performance over their useful lifetime. Unfortunately, it is not uncommon for solar hot water systems to encounter issues which result in a reduction of energy savings and/or their useful life span. These issues often result from poor design, careless installation, and a lack of maintenance. Furthermore, it is frequent that the system's owners stay unaware of a failure for an extended period of time, since these systems are generally equipped with auxiliary heating designed to meet the entire heat load. Thus, a system could be underperforming or out of service for months or even years without any noticeable symptoms from the hot water consumer point of view. In this respect, it is important to find solutions to automatically warn a system's owner or manager in case of a system failure. This thesis present an original automatic fault detection method based on two levels and developed specifically for solar hot water systems. The first level monitors a system's operating conditions (e.g. temperatures, flowrates, pressures, etc.) through a rule-base algorithm. In the second level, the solar circuit and auxiliary heater daily performances are evaluated using TRNSYS simulations and compared with the measured performance in order to determine if there is a significant discrepancy. The method was assessed using three years of operation data from a solar hot water system composed of 11 evacuated tubes of a total area of 35.5 m2 located at l'Accueil Bonneau in Montreal, Canada. The validation was also used to determine how the amount of work required to obtain a model could be reduced while allowing an accurate fault detection. First, the method was assessed using a calibrated model. Then, the obtained results were compared with the ones obtained with an as-built model and a model using web-based weather data instead of on-site measurements. The rule-based algorithm has successfully detected two major system faults related to a failure and replacement of the auxiliary heater and was well suited to detect instrumentation errors such as an unconnected sensor.


identifier: Benbrahim, S.-E. (2016). Migrations en temps réel des machines virtuelles interdépendantes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Actuellement, les bonnes circulations et traitements des données sont devenus des clefs de succès dans tous les domaines techniques. Il est donc indispensable que les réseaux, véhiculant ces données, garantissent la qualité de leur transmission et réception. Cela est aussi applicable quand ces données sont échangées en continu par des hôtes virtuels distribués et interdépendants. La consolidation et répartition des charges (Load Balancing) devient un élément important pour améliorer les capacités et les services des réseaux. Cette répartition est possible par des réseaux infonuagiques utilisant des machines virtuelles. Comme ces machines peuvent être déployées et migrées en temps réel et à grande échelle, elles peuvent offrir de très bonnes possibilités de répartition des charges par leurs migrations en temps réel. Ainsi, il est important pour les décideurs de ces répartitions de charges de disposer des techniques efficaces permettant de minimiser les coûts de maintenance et de qualité de ces migrations en temps réel et de maximiser les retours sur investissement de leurs déploiements. Le problème de planification, de consolidation et de migration en temps réel des machines virtuelles (VMs) consiste à identifier les bons choix à effectuer pour placer les ressources d'un réseau de machines virtuelles et à déterminer les bonnes techniques pour les consolider par le déplacement de ces VMs entre des hôtes physiques. Ces déplacements des VMs doivent se faire sans interruption de service et dans des délais très réduits afin de respecter les contrats de niveaux de service et la qualité globale des services virtuels. Depuis quelques années, plusieurs recherches scientifiques se sont attardées sur l'étude de planification et de migration en temps réel des machines virtuelles. Cependant, ces études scientifiques se sont focalisées sur des VMs prises individuellement et non sur l'ensemble des VMs interdépendantes; cette démarche ne permet pas d'obtenir des solutions optimales prenant en considération les interdépendances entre ces VMs. D'autres études scientifiques se sont intéressées aux redéploiements dynamiques des charges d'un réseau en utilisant des migrations en temps réel des VMs et elles ont réussi à présenter des modélisations pour les résoudre. Cependant, elles n'ont pas considéré l'interdépendance entre des services applicatifs installés sur ces VMs; ces services ont besoin parfois d'échanger leurs informations afin d'effectuer leurs exécutions correctement. Cette thèse présente des techniques traitant de la planification, la consolidation, et la migration en temps réel de plusieurs machines virtuelles. L'interdépendance entre les VMs est considérée lors des développements de ces techniques. Notre travail est divisé en trois parties où chacune correspond à un de nos objectifs de recherche. Lors de la première partie, nous développons un modèle mathématique et son heuristique d'approximation pour solutionner le problème d'optimisation de la planification des emplacements des VMs prenant en considération leurs contraintes d'interdépendance; cette heuristique, efficace pour des grands ensembles de machines virtuelles, peut être ensuite exécutée par un logiciel installé sur une machine physique. Nous résolvons ce modèle grâce au solveur mathématique CPLEX en utilisant la méthode de programmation en nombres entiers mixte (MIP). L'objectif de ce modèle est de minimiser les coûts d'un réseau de VMs tout en respectant ses contraintes d'interdépendance. Afin de valider la performance de notre modélisation, nous résolvons avec CPLEX des petits ensembles de tests; ensuite, nous les vérifions et validons. Notre modèle est plus pertinent que celui de la modélisation sans les contraintes d'interdépendance qui donne des solutions dans des délais plus courts, mais qui demeurent non efficaces pour le bon fonctionnement des VMs interdépendantes. Comme le problème NP-difficile de « bin-packing » peut être réduit à notre problème de planification des VMs, ce dernier est aussi NP-difficile; pour cela, nous approximons sa modélisation avec une heuristique de recherche taboue qui est capable de traiter des grands ensembles en peu de temps. Cette heuristique trouve de bonnes solutions dans des délais acceptables pour des problèmes avec des grands ensembles. Cette heuristique visite une zone de solutions potentielles afin d'y trouver l'optimum local, puis elle refait cette même démarche dans des régions avoisinantes. Ainsi, notre heuristique réalise une exploration pertinente de l'espace des solutions possibles. Les performances de notre heuristique sont comparables à celles de notre modèle mathématique approximé dans le cas des problèmes avec des petits ensembles. De plus, cette heuristique est plus performante en ce qui concerne des temps de calcul puisqu'elle réussit à trouver de bonnes solutions dans des délais moindres que ceux des solutions exactes de CPLEX pour des grands ensembles de VMs. Lors de la deuxième partie de notre recherche, nous développons un modèle mathématique « multi-objectifs » (relaxé à un modèle « mono-objectif » par la méthode agrégée de la somme pondérée) et son heuristique d'approximation pour trouver une solution optimale pour le problème de migration en temps réel des VMs interdépendantes; cette modélisation obtient des solutions exactes et optimales pour un nombre réduit de VMs; cette heuristique, permettant de trouver des solutions quasi-optimales en peu de temps, peut être exécutée par un logiciel contrôleur installé sur une machine physique. Cette exécution peut être effectuée à intervalle régulier ou bien quand la qualité de service de certains services virtuels commence à se dégrader. En effet, avec cette modélisation « multi-objectifs » relaxé à « mono-objectif » via la méthode agrégée de la somme pondérée de chacun de nos objectifs, nous trouvons des solutions quasi-optimales pour nos quatre objectifs qui sont le délai de migration des VMs, leur délai d'arrêt, les pénalités dues aux non-respects des contrats de service, et leur qualité de service globale. La modélisation proposée permet plus de flexibilité en assignant un niveau relatif d'importance pour chacun des objectifs via leur facteur de pondération. Concernant la qualité globale de service et les pénalités des non-respects des contrats de niveaux de service (SLAs), les résultats obtenus grâce à notre modèle et son heuristique d'approximation sont meilleurs que la technique « pré-copie » utilisée et conçue pour les migrations en temps réel des VMs. Lors de la troisième partie de notre recherche, nous développons un modèle mathématique et son heuristique d'approximation visant à maximiser le profit net total tout en minimisant les pénalités des services virtuels aux contrats SLAs. Cette optimisation est une tâche complexe en raison de la difficulté de parvenir à un compromis réussi entre les pénalités sur les contrats de niveaux de service et le placement en temps réel des machines virtuelles (VM) interdépendantes. Cette troisième partie étudie donc ce problème de maximisation du profit net total tout en diminuant les pénalités de service et en réalisant des migrations en temps réel de machines virtuelles interdépendantes. Ce problème d'optimisation de placement en temps réel de machines virtuelles est NP-difficile puisque le problème NP-difficile « bin-packing » peut être réduit à ce problème, et son temps de calcul croit exponentiellement avec la taille des ensembles de machines virtuelles et de leurs machines physiques hôtes; pour cette raison, nous approximons notre modèle mathématique avec une heuristique de recherche taboue efficace. Nous testons notre formulation et heuristique pour des services virtuels, où le profit net total doit être maximisé, où les pénalités des services doivent être minimisées, et où des migrations efficaces en temps réel des VMs sont des sujets de préoccupation. Nos résultats de simulations montrent que notre heuristique d'approximation de notre modèle mathématique : (i) trouve de meilleures solutions que la configuration existante des milliers de machines utilisées dans des traces de Google; (ii) est adaptée pour de grandes ensembles des services virtuels avec des dizaines de milliers de machines virtuelles et machines physiques; et (iii) performe mieux en termes de pénalités et profits globaux que notre référence de comparaison c.-à-d. la configuration existante des machines utilisées dans des traces de Google.  ABSTRACT: Currently, data transmission and processing have become keys to success in many technology areas. Therefore, it is essential that networks guarantee the transmission and reception qualities of these data; also, this guarantee is important for data exchanged continuously by distributed and interconnected hosts. Also, “Load Balancing” techniques becomes an interesting key to improve network services and capacities. This load balancing technique is feasible with cloud networks based on virtual machines (VMs). Since these virtual machines can be deployed and live migrated on a large scale, they can offer very good possibilities of load balancing. Thus, it is important that decision makers dispose of effective techniques, such as load balancing, to minimize costs of these live migrations and to maximize their return on investment. Planning and live migration problems of virtual machines aim to identify right choices to place resources of virtual machine networks and to determine right techniques to move VMs between their physical hosts. These VMs' moves should be done without service interruption and within very short delay. In recent years, several scientific researchers have studied planning and live migration of virtual machines; however, these scientific studies have focused on VMs individually without considering their interdependency constraints. Other scientific studies have investigated dynamic load balancing of a network using VM live migrations and they have succeeded to solve it using mathematical models; however, they did not consider the VMs' interdependency. This thesis presents some techniques dealing with planning, consolidation, and live migrations of multiple virtual machines. These techniques take into account the VM interdependencies, the network service level contracts (SLAs) and overall quality. Our thesis is divided into three parts corresponding to our three research objectives. In the first part, we develop a mathematical model for VMs planning problem including the interdependency constraints. We solve this model using CPLEX as a mathematical solver with the mixed integer programming (MIP) method. The goal of this model is to minimize the overall cost of a VMs' network while respecting its interdependent VMs constraints. To validate our modeling performance, we solved, with CPLEX, some small sets; then, we verified and validated our solutions. Our model is more relevant than other models ignoring interdependency constraints and which give solutions in a shorter time but remain ineffective for a proper functioning of interdependent VMs. Since VMs' placement planning problem is an NP-hard problem (as the NP-hard “bin-packing” problem can be reduced to it), we approximate our model with a tabu search heuristic which is capable to handle large-sized sets. This heuristic finds good solutions in an acceptable delay by visiting areas of potential solutions in order to find local optimums, and then it repeats this process with other surrounding areas; thus, our heuristic performs relevant space explorations for possible solutions. Our heuristic has comparable performance to our approximated mathematical model in the case of small size sets; moreover, this heuristic is more efficient since its running time is lower than CPLEX to find near-enough exact solutions for large-sized sets. In the second part of our research, we have developed a "multi-objective" mathematical model to solve the problem of live migrations of interdependent VMs; this model is solved by relaxing it to a "mono-objective" model using the method of weighted sum of each of its objectives; thanks to this relaxation, we optimize four objectives simultaneously by dealing with live VM migrations, especially, their stop delays, their penalties on service level agreements and the overall quality of service. Our proposed model allows more flexibility by assigning a relative importance level for each objective. Results, of the overall quality of service and overall penalty on SLAs, obtained with our model are better than those of "pre-copy" VM live migrations ignoring VMs' interdependency constraints. In the third part of this research, we develop a mathematical model to maximize the overall net profits of virtual services while minimizing the penalties on their SLAs. This optimization is a complex task because it is difficult to reach a successful compromise between decreasing the penalties on service level agreements and the live placement of interdependent virtual machines. This third part is therefore exploring this problem optimization of net profit and service penalties while performing live migrations of interdependent virtual machines. This live placement optimization problem of virtual machines is NP-hard and its calculation time grows exponentially with the size of virtual machine sets and their physical machines hosts; for this reason, we approximate our mathematical model with effective tabu search heuristic. We test our formulation and heuristic with virtual services which the overall net profit should be maximized, the penalty on SLAs should be minimized and live migrations should be effective. Our simulation results show that our heuristic: (i) finds better solutions than the existing configuration of machines used in Google traces; (ii) is adapted to large-sized virtual service sets with tens of thousands of virtual and physical machines; and (iii) performs better in terms of penalties and overall net profits when they are compared to those of the existing machines' configuration of Google.


identifier: Beheshti, B. (2016). Empirical Means to Validate Skills Models and Assess the Fit of a Student Model  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le domaine de l'analytique des données éducationnelles, ou dans le domaine de l'apprentissage automatique en général, un analyste qui souhaite construire un modèle de classification ou de régression avec un ensemble de données est confronté à un très grand nombre de choix. Les techniques d'apprentissage automatique offrent de nos jours la possibilité de créer des modèles d'une complexité toujours plus grande grâce à de nouvelles techniques d'apprentissage. Parallèlement à ces nouvelles possibilités vient la question abordée dans cette thèse : comment décider lesquels des modèles sont plus représentatifs de la réalité sous-jacente ? La pratique courante est de construire différents modèles et d'utiliser celui qui offre la meilleure prédiction comme le meilleur modèle. Toutefois, la performance du modèle varie généralement avec des facteurs tels que la taille de l'échantillon, la distribution de la variable ciblée, l'entropie des prédicteurs, le bruit, les valeurs manquantes, etc. Par exemple, la capacité d'adaptation d'un modèle au bruit et sa capacité à faire face à la petite taille de l'échantillon peut donner de meilleures performances que le modèle sous-jacent pour un ensemble de données. Par conséquent, le meilleur modèle peut ne pas être le plus représentatif de la réalité, mais peut être le résultat de facteurs contextuels qui rendent celui-ci meilleur que le modèle sous-jacent.  Nous étudions la question de l'évaluation de modèles différents à partir de données synthétiques en définissant un espace vectoriel des performances de ceux-ci, et nous utilisons une l'approche du plus proches voisins avec une distance de corrélation pour identifier le modèle sous-jacent. Cette approche est basée sur les définitions et les procédures suivantes. Soit un ensemble de modèles, M, et un vecteur p de longueur jMj qui contient la performance de chaque modèle sur un ensemble de données. Ce vecteur représente un point qui caractérise l'ensemble de données dans l'espace de performance. Pour chaque modèle M dans M, nous déterminons un point pi dans l'espace de performance qui correspond à des données synthétiques générées par le modèle Mi. Puis, pour un ensemble de données, nous trouvons le point pi le plus proche, en utilisant la corrélation comme distance, et considérons le modèle Mi l'ayant généré comme le modèle sous-jacent. Les résultats montrent que, pour les ensembles de données synthétiques, leurs ensembles de modèles sous-jacents sont généralement plus souvent correctement identifiés par l'approche proposée plutôt que par le modèle avec la meilleure performance. Ils montrent aussi que les modèles sémantiquement similaires sont également plus rapprochés dans l'espace de performance que les modèles qui sont basés sur des concepts très différents.  ABSTRACT: In educational data mining, or in data mining in general, analysts that wish to build a classification or a regression model over new and unknown data are faced with a very wide span of choices. Machine learning techniques nowadays offer the possibility to learn and train a large and an ever growing variety of models from data. Along with this increased display of models that can be defined and trained from data, comes the question addressed in this thesis: how to decide which are the most representative of the underlying ground truth? The standard practice is to train different models, and consider the one with the highest predictive performance as the best fit. However, model performance typically varies along factors such as sample size, target variable and predictor entropy, noise, missing values, etc. For example, a model's resilience to noise and ability to deal with small sample size may yield better performance than the ground truth model for a given data set. Therefore, the best performer may not be the model that is most representative of the ground truth, but instead it may be the result of contextual factors that make this model outperform the ground truth one.  We investigate the question of assessing different model fits using synthetic data by defining a vector space of model performances, and use a nearest neighbor approach with a correlation distance to identify the ground truth model. This approach is based on the following definitions and procedure. Consider a set of models,M, and a vector p of length jMj that contains the performance of each model over a given data set. This vector represents a point that characterizes the data set in the performance space. For each model M 2M, we determine a new point in the performance space that corresponds to synthetic data generated with model M. Then, for a given data set, we find the nearest synthetic data set point, using correlation as a distance, and consider the model behind it to be the ground truth. The results show that, for synthetic data sets, their underlying model sets are generally more often correctly identified with the proposed approach than by using the best performer approach. They also show that semantically similar models are also closer together in the performance space than the models that are based on highly different concepts.


identifier: Li, M. (2016). Determinism Enhancement and Reliability Assessment in Safety Critical AFDX Networks  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: AFDX est une technologie basée sur Ethernet, qui a été développée pour répondre aux défis qui découlent du nombre croissant d'applications qui transmettent des données de criticité variable dans les systèmes modernes d'avionique modulaire intégrée (Integrated Modular Avionics). Cette technologie de sécurité critique a été notamment normalisée dans la partie 7 de la norme ARINC 664, dont le but est de définir un réseau déterministe fournissant des garanties de performance prévisibles. En particulier, AFDX est composé de deux réseaux redondants, qui fournissent la haute fiabilité requise pour assurer son déterminisme. Le déterminisme de AFDX est principalement réalisé par le concept de liens virtuels (Virtual Links), qui définit une connexion unidirectionnelle logique entre les points terminaux (End Systems). Pour les liens virtuels, les limites supérieures des délais de bout en bout peuvent être obtenues en utilisant des approches comme calcul réseau, mieux connu sous l'appellation Network Calculus. Cependant, il a été prouvé que ces limites supérieures sont pessimistes dans de nombreux cas, ce qui peut conduire à une utilisation inefficace des ressources et augmenter la complexité de la conception du réseau. En outre, en raison de l'asynchronisme de leur fonctionnement, il existe plusieurs sources de non-déterminisme dans les réseaux AFDX. Ceci introduit un problème en lien avec la détection des défauts en temps réel. En outre, même si un mécanisme de gestion de la redondance est utilisé pour améliorer la fiabilité des réseaux AFDX, il y a un risque potentiel souligné dans la partie 7 de la norme ARINC 664. La situation citée peut causer une panne en dépit des transmissions redondantes dans certains cas particuliers. Par conséquent, l'objectif de cette thèse est d'améliorer la performance et la fiabilité des réseaux AFDX. Tout d'abord, un mécanisme fondé sur l'insertion de trames est proposé pour renforcer le déterminisme de l'arrivée des trames au sein des réseaux AFDX. Parce que la charge du réseau et la bande passante moyenne utilisée augmente due à l'insertion de trames, une stratégie d'agrégation des Sub-Virtual Links est introduite et formulée comme un problème d'optimisation multi-objectif. En outre, trois algorithmes ont été développés pour résoudre le problème d'optimisation multi-objectif correspondant. Ensuite, une approche est introduite pour incorporer l'analyse de la performance dans l'évaluation de la fiabilité en considérant les violations des délais comme des pannes.  ABSTRACT: AFDX is an Ethernet-based technology that has been developed to meet the challenges due to the growing number of data-intensive applications in modern Integrated Modular Avionics systems. This safety critical technology has been standardized in ARINC 664 Part 7, whose purpose is to define a deterministic network by providing predictable performance guarantees. In particular, AFDX is composed of two redundant networks, which provide the determinism required to obtain the desired high reliability. The determinism of AFDX is mainly achieved by the concept of Virtual Link, which defines a logical unidirectional connection from one source End System to one or more destination End Systems. For Virtual Links, the end-to-end delay upper bounds can be obtained by using the Network Calculus. However, it has been proved that such upper bounds are pessimistic in many cases, which may lead to an inefficient use of resources and aggravate network design complexity. Besides, due to asynchronism, there exists a source of non-determinism in AFDX networks, namely frame arrival uncertainty in a destination End System. This issue introduces a problem in terms of real-time fault detection. Furthermore, although a redundancy management mechanism is employed to enhance the reliability of AFDX networks, there still exist potential risks as pointed out in ARINC 664 Part 7, which may fail redundant transmissions in some special cases. Therefore, the purpose of this thesis is to improve the performance and the reliability of AFDX networks. First, a mechanism based on frame insertion is proposed to enhance the determinism of frame arrival within AFDX networks. As the network load and the average bandwidth used by a Virtual Link increase due to frame insertion, a Sub-Virtual Link aggregation strategy, formulated as a multi-objective optimization problem, is introduced. In addition, three algorithms have been developed to solve the corresponding multi-objective optimization problem. Next, an approach is introduced to incorporate performance analysis into reliability assessment by considering delay violations as failures. This allowed deriving tighter probabilistic upper bounds for Virtual Links that could be applied in AFDX network certification. In order to conduct the necessary reliability analysis, the well-known Fault-Tree Analysis technique is employed and Stochastic Network Calculus is applied to compute the upper bounds with various probability limits.


identifier: Wang, X. (2016). Emulsifying Properties of Chitosan and Chitosan/Gelatin Complexes  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de libération à base d'émulsions sont les plus courants pour encapsuler des composants lipophiles bioactifs, tels que les acides gras ω-3 et les vitamines solubles à l'huile; ces derniers sont largement appliqués dans les domaines alimentaire et pharmaceutique. Cependant, en raison de leur faible solubilité à l'eau et leur instabilité physicochimique, ils ont besoin d'être protégés par des techniques d'encapsulation pendant les procédés de fabrication et le stockage. Idéalement, les matériaux sélectionnés pour former la coque d'encapsulation doivent être des biomatériaux naturels pour des raisons de biocompatibilité, biodégradabilité, etc. Étant donné que les propriétés émulsifiantes sont la caractéristique la plus importante pour qu'un matériau polymère devienne un bon candidat pour la coque, la conception d'une structure macromoléculaire avec des propriétés émulsifiantes améliorées s'avère d'une importance capitale. L'objectif général de cette thèse est de développer de nouveaux émulsifiants à base de biopolymères pour des applications alimentaires et pharmaceutiques, en utilisant un polysaccharide biosourcé (chitosane), une protéine (gélatine) et l'huile de maïs comme un système modèle. Dans ce travail, les propriétés émulsifiantes du chitosane ont été examinées en préparant des émulsions d'huile dans l'eau (O/W) à l'aide de l'homogénéisation par ultrasons à haute intensité (HIU). Les résultats ont montré que le chitosane est un émulsifiant naturel intéressant pour la fabrication des émulsions O/W classiques ainsi que de type Pickering, toutes les deux avec une taille de gouttelettes très fine et une bonne stabilité à long terme. Ceci a été réalisé sans l'addition d'agents tensioactifs ou agents de réticulation, et tout simplement en ajustant les valeurs du pH des solutions de chitosane. Au cours de la préparation de l'émulsion, l'application de l'HIU a donné lieu à une rupture des agglomérats de chitosane et à une diminution de son poids moléculaire, tandis que l'augmentation du pH a provoqué une transition dans la conformation de la chaîne d'étendue à compacte ce qui a promu davantage l'amélioration des propriétés émulsifiantes du chitosane. L'émulsion de type Pickering formée à pH 6.5 a montré une stabilité remarquable induite par la présence des nanoparticules de chitosane à l'interface gouttelettes huile/eau; l'émulsion classique formée à pH 5.5 a également montré une bonne stabilité en raison de l'encombrement stérique et électrostatique. Les conclusions de cette partie du travail ont suggéré que le chitosane lui-même a un grand potentiel pour être utilisé comme un émulsifiant et v stabilisateur à pH contrôlé pour la production d'émulsions O/W, sans l'ajout d'agents tensioactifs. Considérant que dans les systèmes commerciaux utilisés dans les domaines alimentaire ou pharmaceutique, les protéines et les polysaccharides coexistent très souvent, les interactions du chitosane (CH) avec une protéine de structure linéaire, la gélatine type B (GB), ont été étudiées. On a constaté que la formation de complexes de polyélectrolytes entre le chitosane et la gélatine était grandement affectée par le pH, la force ionique et le temps d'entreposage. Les complexes CH/GB ont été formés seulement dans la région de pH associée à une opposition de charge (5 (pIGB) < pH < 6.5 (pKaCH)), où les solutions aqueuses ont évolué de transparentes à turbides jusqu'à ce que la séparation de phases ait lieu après une semaine de d'entreposage. La force ionique - de faible à modérée - a intensifié la formation du complexe, tandis que l'augmentation au-delà a entrainé une diminution. En favorisant une durée d'entreposage plus longue, la phase séparée s'est transformée d'un système liquide à un gel colloïdal thermoréversible, comme démontré par microscopie confocale à balayage laser ainsi que par les données rhéologiques. Enfin, le complexe insoluble CH/GB (avant la séparation de phases) a été utilisé pour la première fois pour fabriquer des émulsions et gels d'émulsions de type Pickering, très stables à long terme, en utilisant à nouveau l'HIU. Le pH a montré un effet remarquable sur l'activité de surface des systèmes mixtes CH/GB, et la présence de complexes CH/GB a diminué de manière significative la tension superficielle à l'interface huile/eau. En comparaison avec les émulsions stabilisées par le CH seul, l'adsorption de particules du complexe CH/GB à l'interface huile/eau a bénéficié la formation de gouttelettes d'émulsion de plus petite taille, et a empêché efficacement leur coalescence, fait supporté par l'allongement de la stabilité de l'émulsion à long terme. La formation de réseaux de gouttelettes a été considérablement accélérée par l'augmentation de la fraction volumique de l'huile, ce qui a donné lieu à des gels d'émulsions thermoréversibles avec un comportement de type solide ayant des propriétés viscoélastiques ajustables, qui peuvent conséquemment être des matériaux appropriés pour l'encapsulation et/ou l'enrobage dans des applications alimentaires et pharmaceutiques.  ABSTRACT: Emulsion-based delivery systems are the most common methods to encapsulate lipophilic bioactive components, such as ω-3 fatty acids and oil-soluble vitamins, which are widely applied in food and pharmaceutical areas but need to be protected during processing and storage by encapsulation techniques, due to their low water-solubility, physical or chemical instability. Ideally, the encapsulating shell materials should be selected from natural biomaterials for reasons of biocompatibility, biodegradability, etc. Considering that the most important characteristics for polymeric materials to act as good shell protections are their emulsifying properties, designing a macromolecular structure with improved emulsifying properties turns out to be of key importance. The overall objective of this thesis is to develop novel biopolymer-based emulsifiers for food and pharmaceutical applications, using bio-sourced polysaccharide (chitosan) and protein (gelatin), and using corn oil as a model system. In this work the emulsifying properties of chitosan itself were investigated first, by fabricating oil-in-water (O/W) emulsions with the assistance of high intensity ultrasonic (HIU) homogenization. The results showed that chitosan is an interesting natural emulsifier for fabricating both conventional and Pickering O/W emulsions with very fine droplet size and long-term stability. This was achieved without the use of any additional surfactant or crosslinking agent, and simply by adjusting the pH values of the chitosan solutions. During the emulsion preparation, the role of HIU resulted in a disassembly of chitosan agglomerates and a decrease of molecular weight, while increasing pH caused a chain conformation transition from extended to compact, which were found beneficial to the improvement of the emulsifying properties of chitosan. The long-term stability of the Pickering emulsion formed at pH 6.5 was remarkable due to the stabilization induced by chitosan nanoparticles at the oil/water interface, and that of the conventional emulsion formed at pH 5.5 was also considerable due to steric and electrostatic hindrance. The findings in this part of the work suggested that chitosan by itself has a great potential to be used as a pH-controlled emulsifier and stabilizer for the production of biodegradable, surfactant-free and even edible O/W emulsions. Considering that in real food or pharmaceutical systems, proteins and polysaccharides most often coexist, the interactions of chitosan (CH) with a linear structured protein, gelatin type B (GB), were investigated. It was found that the formation of polyelectrolyte complexes between vii chitosan and gelatin was greatly affected by pH, ionic strength, and storage time. CH/GB complexes were only formed in the oppositely charged pH region (5 (pIGB) < pH < 6.5 (pKaCH)), where the aqueous solutions evolved from transparent to turbid until phase separation occurred after one week of storage. Low and moderate ionic strength intensified complex formation, while it decreased it at higher salt content. With increasing storage time, the separated dense phase changed from a liquid-like system to a thermoreversible colloidal gel, as supported by confocal laser scanning microscopy as well as rheological data. Finally, the corresponding insoluble CH/GB complexes (before phase separation) were used to fabricate, for the first time, long-term stability Pickering emulsions and emulsion gels, using again HIU homogenization. The pH showed a remarkable effect on the surface activity of CH/GB mixed systems, and the presence of CH/GB complexes significantly decreased the surface tension of the oil/water interface. Compared to CH-stabilized emulsions, the adsorption of CH/GB complex particles at the oil/water interface benefited the formation of smaller size emulsion droplets, and effectively hindered droplet coalescence as supported by the increase of the emulsion's long-term stability. The formation of droplet network structures was significantly accelerated by increasing the oil volume fraction, resulting in a more solid-like thermoreversible emulsion gel with tunable viscoelastic properties, which could be adequate candidates for encapsulation and as coating materials in food and pharmaceutical applications.


identifier: Wasselet, M. (2016). Calcul des forces et moments sur des corps immergés par la méthode des éléments spectraux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet a pour objectifs l'amélioration, la vérification et la validation d'un code numérique utilisant la méthode des éléments spectraux ainsi que l'implémentation de la méthode des réactions afin de réaliser le calcul des efforts induits sur des corps immergés par des écoulements incompressibles. L'originalité de ce projet réside dans l'utilisation des éléments spectraux et d'une méthode innovante de calcul des moments basée sur la méthode des réactions. Par ailleurs, il n'existe que peu de données sur les moments dans la littérature, on déterminera donc les courbes de moment moyen en fonction de l'angle d'attaque pour différentes géométries en deux dimensions. La méthode des éléments spectraux est basée sur une répartition des noeuds de calcul élémentaires non-uniforme, contrairement aux éléments finis. Nous utiliserons dans ce projet des bases nodales régies par la quadrature de Gauss-Legendre-Lobatto. Ce choix de noeuds de calcul permet d'utiliser efficacement la convergence en ordre (p-convergence), on obtient alors de meilleur taux de convergence que pour la méthode des éléments finis. C'est là tout l'intérêt de la méthode, pour un même nombre de degrés de liberté, on pourra obtenir une solution plus précise en utilisant les éléments spectraux qu'en utilisant les éléments finis. Afin de calculer les efforts, le code initial sera tout d'abord vérifié et validé pour s'assurer du bon fonctionnement de la méthode des éléments spectraux. Pour la vérification, les taux de convergence de la méthode ont été calculés par la méthode des solutions manufacturées sur des exemples de diffusion thermique ainsi que sur des exemples en Navier-Stokes incompressible. Pour la validation, l'écoulement autour d'un cylindre circulaire a été étudié, notamment le phénomène de relâcher tourbillonnaire connu sous le nom d'allée de Von Karman. La même démarche de validation et de vérification a également été appliquée au calcul des efforts après l'implémentation de la méthode des réactions. Enfin, la méthode a été appliquée à différentes géométries en deux dimensions afin d'établir des courbes de référence pour les valeurs moyennes de moment, de force de portance et de force de traînée pour des écoulements instationnaires à bas nombre de Reynolds (Re � 500). Les résultats produits permettent, outre l'obtention des valeurs moyennes permettant le dimensionnement de structures, de réaliser différentes analyses. Nous avons notamment appliqué les critères de Den Hartog et de Blevins, deux approches quasi-statiques permettant de prédire respectivement l'apparition d'instabilité de galop en translation et en rotation.  ABSTRACT: The aims of this project are to improve, verify and validate a spectral element method and to implement the reaction method in order to compute the forces and moments that apply on bluff bodies in incompressible flow. The use of the spectral element method and a new approach for computing the moment by using the reaction method define the originality of this project. Furthermore, since there are few data available for the moment in the present literature, the time average values of the forces and moments as a function of the incidence angle will be given for several bluff bodies in two dimensions. The spectral element method relies on non-equidistributed degrees of freedom on the element. In this project we use the Gauss-Legendre-Lobatto point sets in order to achieve pconvergence, this obtaining better convergence rate than the standard finite element method. Before computing the force and moment, the code will be verified and validated to ensure the spectral element method accuracy. Verification will be based on the method of manufactured solutions and the convergence rate of the spectral and finite element method will be studied. The flow around a circular cylinder and the vortex shedding phenomenon known as the Von Karman street will be studied for validation phase. Verification and validation process will also be applied to the reaction method. Finally, the method has been applied to several bodies in two-dimensions in order to compute the forces and moments, thus we provide data for the mean drag, lift and moment for unsteady flows at low Reynolds numbers (Re � 500). We show that the results obtained can be used for different analyses. In particular, we have applied the Den Hartog and Blevins criteria for predicting transverse and rotational galloping, respectivly.


identifier: Boespflug, G. (2016). Fabrication, caractérisation et application de surfaces organiques fonctionnalisées pour le génie tissulaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Face à l'inertie chimique de la plupart des polymères, la fonctionnalisation de surface a été proposée afin d'améliorer l'adhésion et la croissance cellulaires à la surface des biomatériaux, ou encore de greffer des biomolécules actives permettant d'optimiser davantage la réponse cellulaire. Ceci peut notamment permettre d'améliorer les implants vasculaires dont la paroi interne doit être recouverte d'un tapis de cellules endothéliales pour éviter des complications cliniques. Différents procédés sont étudiés au cours de ce projet, afin d'identifier les traitements et groupements chimiques les plus favorables à l'adhésion et la prolifération cellulaires. Des films de polytéréphtalate d'éthylène (PET) ont été utilisés pour créer des surfaces riches en azote, par fonctionnalisation plasma (modification de surface à l'aide de plasma NH3) (PETf), par polymérisation plasma (L-PPE:N), par dépôt chimique en phase vapeur (Parylène diX AM) ou greffage en phase liquide (PAAm) ; la polymérisation plasma a également été utilisée pour la fabrication de revêtements oxygénés (L-PPE:O) et de dépôts mixtes, à la fois oxygénés et azotés (L-PPE:O,N), sur des films de PET. Ces surfaces ont été comparées aux surfaces commerciales pour la culture cellulaire Tissue culture Polystyrene (TCP « Falcon™ », oxygénée) et Primaria™ (mixte) de la compagnie Corning Inc., connues pour promouvoir efficacement l'adhésion cellulaire. Toutes ces surfaces ont été caractérisées chimiquement par spectroscopie photoélectronique à rayons X (XPS), et leur capacité à promouvoir l'adhésion cellulaire a été évaluée par la culture de cellules endothéliales (HUVEC). Les amines primaires –NH2 étant connues pour favoriser l'adhésion des cellules, elles ont été quantifiées sur les surfaces azotées par dérivation chimique ; une méthode colorimétrique (Orange II) a également été utilisée. D'autre part, le taux de déposition et la solubilité des revêtements L-PPE:O,N, récemment développés par ce laboratoire, ont été évalués. Chacune des surfaces caractérisées chimiquement a montré un haut degré de fonctionnalisation ; l'analyse par XPS en angle rasant a indiqué une fonctionnalisation des surfaces PETf, TCP et Primaria™ à leur surface immédiate uniquement (sur une épaisseur de l'ordre de quelques nm). Les surfaces azotées L-PPE:N, PETf et PAAm, ainsi que les dépôts richement oxygénés L-PPE:O, ont permis une excellente prolifération cellulaire, comparable à celle obtenue sur le TCP, prouvant l'efficacité des groupements chimiques présents en surface : les groupements carboxyles et amines primaires, notamment, ont paru jouer un rôle clé dans l'adhésion des  ABSTRACT: The interactions between a biomaterial and a biological environment are largely influenced by surface chemistry, which can be controlled in order to enhance cell adhesion. This can be applied to the design of vascular grafts, the internal walls of which need to be fully covered by an endothelial cell layer in order to prevent harmful outcomes such as thrombosis. Various processes were considered in this project, in order to identify which coatings and chemical groups are the most advantageous for enhanced endothelial cell adhesion and -growth. Nitrogen-rich surfaces were obtained on polyethylene terephthtalate (PET) films by plasma treatment (NH3 plasma modification, PETf), plasma polymerization (L-PPE:N), chemical vapor deposition (Parylene diX AM) or liquid-chemical covalent grafting of a polymer (PAAm); plasma polymerization was also used to create oxygen-rich films (L-PPE:O), as well as hybrid coatings containing both oxygen and nitrogen-based groups (L-PPE:O,N), on PET films. These surfaces were compared to commercial culture plates such as oxygen-rich Tissue Culture Polystyrene (TCP, ―Falcon™‖) and hybrid Primaria™, both developed and marketed by Corning Inc. and known for their ability to promote cell adhesion. The chemistry of all these surfaces was analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), and endothelial (HUVEC) cells were used to assess their ability to enhance cell adhesion. Primary amine groups (-NH2), well known to enhance cell adhesion, were quantified on the nitrogen-rich surfaces by chemical derivatization, while the colorimetric method based on Orange II dye was used for comparison. In addition, the deposition rate and the solubility of newly developed hybrid L-PPE:O,N coatings were evaluated. All of the surfaces investigated were found to be highly functionalized; the XPS analyses of PETf, TCP and Primaria™ at grazing angles showed this functionalization to reside only very near the surface (a few nm deep). Excellent cell proliferation was observed on nitrogen-rich L-PPE:N, PETf and PAAm, as well as on oxygen-rich L-PPE:O, with an efficacy comparable to TCP. These results prove that the efficacy of moieties created on these surfaces, especially of carboxylic and primary amine groups, seemed to play a key role in cell adhesion. Furthermore, the cellular behavior was found to be very similar on these diverse surfaces, despite their different chemical compositions. This suggests that a concentration threshold of ―active‖ moieties was reached for both oxygen- and nitrogen-containing surfaces, with a similar efficacy to foster cell adhesion, above which threshold their quantities no longer appear to influence cell


identifier: Marefat, V. (2016). Natural Pore Pressure Fluctuations in a Champlain Clay Deposit  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les argiles Champlain recouvrent les basses terres de la vallée du Saint-Laurent au Québec, dans l'est du Canada. Ces argiles ont été déposées il y a approximativement 12000 à 8500 ans dans la mer Champlain, tard dans la période du Quaternaire. Les argiles Champlain jouent un rôle crucial dans le contrôle des écoulements souterrains. Ces argiles contrôlent et protègent les aquifères sous-jacents des contaminants en provenance de la surface ou des couches plus perméables près de la surface. La conductivité hydraulique (K) est un paramètre fondamental pour estimer la vitesse d'écoulement, la vitesse de migration des contaminants et la consolidation des argiles. Du point de vue de la géotechnique, des valeurs représentatives des paramètres élastiques de l'argile applicables à de très faibles déformations sont nécessaires pour comprendre le comportement de l'argile sous des sollicitations dynamiques.  ABSTRACT: Champlain clays cover the lowlands of the Saint Lawrence River valley in Quebec, in eastern Canada. The clays were deposited approximately from 12000 to 8500 BP (before present) in the Champlain Sea, during the late Quaternary Period. Champlain clay aquitards play a crucial role in defining groundwater regimes; they control recharge and protect underlying aquifers from surface contamination. The clay K value is a fundamental parameter to estimate flow velocity, the rates of contaminant migration, and time-dependent clay deformation. From a geotechnical standpoint, representative values of the clay elastic parameters for very small-strain are needed to understand the dynamic behaviour of clay deposits.


identifier: Laurier, A. (2016). Implementation of the SPH Procedure Within the Moose Finite Element Framework  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le but de ce projet de maitrise était d'implémenter la procédure SPH à l'intérieur du code de physique de réacteur du Idaho National Laboratory (INL), qui fonctionne sur le code d'éléments finis MOOSE. Précédant ce projet, le INL ne possédait pas de procédure de correction de sections efficaces, autre que l'utilisation de la méthode SPH par le code DRAGON. La création de ce projet vient du manque de flexibilité du code DRAGON dont le INL avait besoin. L'objectif premier de ce projet fut d'implémenter la méthode SPH pour l'équation de diffusion neutronique avec la normalisation de flux traditionnelle, Selengut et “True Selengut” et d'en tester les capacités. Le deuxième visait la dérivation des équations de transport SPH ainsi que leur implémentation pour produire les premiers résultats sur des problèmes complexes. En se basant sur des articles théorisant la correction en transport, nous avons implémenté la correction SPH pour les équations de transport en calcul SN et PN. La correction SPH fût testée sur des assemblages de réacteur à eau ressurisée où les résultats obtenus avec la correction de transport sont simliaires mais non supérieurs à ceux obtenus avec l'équation de diffusion. Par contre, nous pensons que l'implémentation de la correction des équations de transport permettera d'obtenir des meilleurs résultats dans les problèmes où la résolution en méthode SN ou PN sont nécessaires. Une conséquence additionnelle de cette recherche fût l'implémentation d'une nouvelle méthode de résolution du problème SPH non linéaire. Jusqu'au moment présent, la procédure SPH fût résolue au travers de la méthode de Picard, soit une méthode itérative de pointfixe, tandis que la nouvelle implémentation utilise la méthode “Preconditioned Jacobian-Free Newtron Krylov” (PJFNK) qui était déjà présenté au sein de MOOSE pour directement résoudre le problème non linéaire. Cette nouvelle méthode de résolution présente une réduction de temps de calcul d'un facteur approchant 50 et qui génère des facteurs SPH équivalents à ceux obtenus avec la méthode itérative avec un critère de convergence très strict, soit � < 10−8. La méthode SPH résolue avec PJFNK permet aussi de résoudre des problèmes qui contiennent des conditions frontières de vide ou des matériaux réflecteurs, des cas où la méthode itérative traditionnelle ne peut converger. Dans les cas où la méthode PJFNK ne permet pas de converger, nous avons élaboré une méthode hybride qui combine la méthode iterative et PJFNK. Pour ce faire, la méthode itérative est utilisée pour forcer la condition initiale de la méthode PJFNK à se situer à l'intérieur du rayon de convergence des méthodes de Newton.  ABSTRACT: The goal of this thesis was to implement the SPH homogenization procedure within the MOOSE finite element framework at INL. Before this project, INL relied on DRAGON to do their SPH homogenization which was not flexible enough for their needs. As such, the SPH procedure was implemented for the neutron diffusion equation with the traditional, Selengut and true Selengut normalizations. Another aspect of this research was to derive the SPH corrected neutron transport equations and implement them in the same framework. Following in the footsteps of other articles, this feature was implemented and tested successfully with both the PN and SN transport calculation schemes. Although the results obtained for the power distribution in PWR assemblies show no advantages over the use of the SPH diffusion equation, we believe the inclusion of this transport correction will allow for better results in cases where either PN or SN are required. An additional aspect of this research was the mplementation of a novel way of solving the non-linear SPH problem. Traditionally, this was done through a Picard, fixed-point iterative process whereas the new implementation relies on MOOSE's Preconditioned Jacobian-Free Newton Krylov (PJFNK) method to allow for a direct solution to the non-linear problem. This novel implementation showed a decrease in calculation time by a factor reaching 50 and generated SPH factors that correspond to those obtained through a fixed-point iterative process with a very tight convergence criteria: � < 10−8. The use of the PJFNK SPH procedure also allows to reach convergence in problems containing important reflector regions and void boundary conditions, something that the traditional SPH method has never been able to achieve. At times when the PJFNK method cannot reach convergence to the SPH problem, a hybrid method is used where by the traditional SPH iteration forces the initial condition to be within the radius of convergence of the Newton method. This new method was tested on a simplified model of INL's TREAT reactor, a problem that includes very important graphite reflector regions as well as vacuum boundary conditions with great success. To demonstrate the power of PJFNK SPH on a more common case, the correction was applied to a simplified PWR reactor core from the BEAVRS benchmark that included 15 assemblies and the water reflector to obtain very good results. This opens up the possibility to apply the SPH correction to full reactor cores in order to reduce homogenization errors for use in transient or multi-physics calculations.


identifier: Miron, P. (2016). Étude du décollement mobile dans les écoulements tourbillonnaires  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une couche limite est dite décollée quand les lignes ﬂuides, initialement longeant une paroi solide, s'en détachent brutalement. Sur une aile d'avion, cela provoque une diminution de la portance et une augmentation de la traînée. Les mêmes eﬀets sur une aube de compresseur engendrent une baisse de performance. Puisque le rendement optimal des systèmes utilisant la circulation d'un ﬂuide est souvent proche des conditions qui mènent au décollement, il est impératif de pouvoir le prédire pour développer des stratégies de contrôle. Depuis les travaux pionniers de Prandtl qui a été le premier à introduire le concept de couche limite, un critère universel de prédiction du décollement, c'est-à-dire applicable à tous les écoulements quelles que soient leurs conditions, n'a toujours pas été élaboré. De nombreuses théories ont vu le jour, mais elles s'appliquent toujours avec des hypothèses restrictives sur l'écoulement (nécessité d'utiliser les équations de couches limites, valide uniquement en incompressible, etc.). Bien qu'historiquement le décollement ait été décrit en lagrangien en observant simplement le détachement du ﬂuide d'une paroi, ce sont plutôt des critères eulériens qui le plus souvent sont évoqués pour quantiﬁer le décollement dans la littérature scientiﬁque. Cette première approche lagrangienne a néanmoins été reprise il y a seulement une dizaine d'années et a permis de voir le phénomène sous un jour nouveau, ce qui a abouti à une nouvelle théorie, uniﬁant par ailleurs des résultats indépendants en apparence contradictoires obtenus sur des écoulements diﬀérents. Il semble cependant que cette nouvelle théorie ne soit pas encore complète. L'objectif de ce travail est de mettre en évidence certaines caractéristiques du décollement qui ne sont pas prises en compte dans les développements théoriques récents en l'étudiant sur une variété de cas allant des plus simples, comme dans les écoulements visqueux, aux plus complexes, comme dans les écoulements tourbillonnaires. Des approches analytiques et numériques sont proposées pour détecter le décollement, et sont ensuite appliquées à des champs de vitesse analytiques, numériques (méthode des éléments ﬁnis) et expérimentaux (vélocimétrie par image de particules).Bien qu'une nouvelle théorie ne soit pas proposée,nous montrons quelles approches lagrangiennes issues des systèmes dynamiques sont déﬁnitivement pertinentes puisqu'elles ne travaillent qu'avec la cinématique des ﬂuides, ce qui les rend indépendantes du régime de l'écoulement, des acompressibilité ou encore du référentiel choisi.  ABSTRACT: A boundary layer separation occurs when the ﬂuid trajectories, initially parallel to a solid wall, detach abruptly from the wall. On an aircraft wing, this causes an important decrease in lift and an increase in drag. The same eﬀects on a compressor blade reduce the eﬃciency of the engine. Since the optimal performance of engineering systems using circulating ﬂuids is often close to the conditions that lead to ﬂow separation, it is critical to be able to predict the phenomenon in order to develop control strategies. Since the pioneering work of Prandtl who was the ﬁrst to introduce the boundary layer concept, a universal criterion for predicting the separation, applicable to all ﬂows regardless of their characteristics, has yet to be developed. Many theories have emerged, but most of the time, they only apply to speciﬁc ﬂow types (described with boundary layer equations, under compressible or incompressible assumptions, considered stationary or bidimensional, etc.). Although historically the separation has been described with Lagrangian methods by simply observing the detachment of ﬂuid particles from a wall, most of the time, Eulerian methods are used to quantify the separation in the scientiﬁc literature. The Lagrangian approach has been reintroduced about ten years ago and has led to completely new and innovative descriptions of ﬂow separation. This recent theory results in the uniﬁcation of apparently contradictory results obtained on diﬀerent ﬂows. However it seems that this theory is not yet complete. The objective of this work is to highlight certain features of ﬂow separation that are not included in the recent theoretical developments using diﬀerent test cases ranging from simple viscous ﬂows to more complex turbulent ﬂows. Analytical and numerical approaches are proposed to detect the separation, and are then applied to analytical, numerical (ﬁnite element method) and experimental (particle image velocimetry measurements) velocity ﬁelds. Although a new theory is not developed, we show that Lagrangian approaches from dynamic systems are deﬁnitely relevant because they are obtained directly from the kinematics of ﬂuids, making them objective and independent of the ﬂow regime, compressibility and the frame of reference.


identifier: Alijani, S. (2016). Stratégie de gestion des retours des conteneurs maritimes de l'Internet physique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le repositionnement des conteneurs vides est un sujet important dans le commerce de conteneurisation maritime. Même s'il est une opération sans revenu et coûteuse, il est une partie importante d'un système global de transport efficace qui équilibre la demande et l'offre de conteneurs vides entre les régions. En principe, les contenants vides sont repositionnés à deux niveaux : niveau global et niveau régional. De plus, une nouvelle proposition d'organisation dans les domaines de la manutention et du transport est l'Internet Physique (IP). Dans ce nouveau concept, des objets physiques sont  encapsulés dans des conteneurs appelés π-conteneurs. Un des aspects importants qui devraient être considérés dans le réseau logistique de l'IP est la gestion des retours de ces conteneurs réutilisables. L'objectif de cette recherche est de proposer une organisation de la gestion des retours des conteneurs maritimes et d'examiner comment elle peut être appliquée à des π-conteneurs. Pour accomplir cet objectif, la littérature est analysée pour déterminer l'impact de la recherche, les conditions de décision, les avantages et les inconvénients de chaque stratégie et identifier les meilleures pratiques dans le réseau de logistique inverse. Ensuite, différents scénarios sont présentés et simulés. Enfin, les résultats et la discussion sont présentés pour proposer une organisation de retour. La recherche finit par une recommandation pour des travaux futurs. Mots Clés : Internet Physique, Logistique inverse, Conteneurs maritimes, Gestion, Retours  ABSTRACT: Empty container repositioning is one of the longstanding and ongoing issues in the containerized maritime trade. Although it is a non-revenue and costly operation, it is an important part of an overall efficient global transportation system, which balances demand and supply of empty containers between regions. Normally empty containers are repositioned at two levels: global level and regional level. In addition, the Physical Internet (IP) is a new proposal of organization in the handling and transportation areas. In this new concept, physical objects are encapsulated in containers called π-containers. An important aspect that should be considered in the IP network logistics is the management of return of these reusable containers. The objective of this research is to propose an organization of container returns management and examine how it can be applied to π-containers. To accomplish this object, the literature is studied to determine the impact of the research, the conditions of decision, the advantages and disadvantages of each strategy and to identify the list of successes and best practices in reverse logistics network. Then, different scenarios are presented and simulated. Finally, the results and discussions are presented to provide a return organization. The research finishes with the recommendation for the future researches. Keywords: Physical Internet, Reverse Logistics, Maritime containers, Management, Returns


identifier: Moulin, A. (2016). Simulation numérique par la méthode des éléments spectraux des vibrations induites par relâcher tourbillonnaire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les vibrations induites par relâcher tourbillonnaire (Vortex-induced VIbrations, VIV) sont un phénomène d'interaction fluide-structure où un corps immergé dans un fluide se met à vibrer selon une ou plusieurs directions à cause des lâchers de tourbillons engendrés par l'écoulement à sa paroi. Dans certaines conditions, ce couplage entre les mouvements du fluide et du corps peut induire des vibrations importantes sur ce dernier et l'endommager par fatigue. Ce projet de recherche vise à simuler ce phénomène avec un cylindre dans un écoulement tridimensionnel à faible nombre de Reynolds Re < 300, pour le cas extrême où le cylindre a une inertie négligeable face à celle du fluide et peut vibrer à la fois transversalement et dans la direction de l'écoulement. L'étude s'inscrit dans la lignée des travaux réalisés à l'École Polytechnique de Montréal pour des cas de figure comparables avec des écoulements bidimensionnels. Les simulations sont réalisées avec un code d'éléments spectraux en développement, la première étape de ce projet vise à le rendre fonctionnel et à l'adapter pour résoudre des problèmes d'interaction fluide-structure dans un second temps. Le projet se décompose donc en deux parties, la première moitié de l'étude se concentre sur la vérification, la validation et l'optimisation du code. Un schéma implicite fortement couplé est implémenté pour résoudre le couplage étudié dans le référentiel relatif au cylindre. La seconde partie du projet est tournée vers la simulation du phénomène des VIV et son analyse détaillée, un ensemble de simulations bidimensionnelles permet de valider le modèle avant le passage à la troisième dimension très coûteuse en ressources.  ABSTRACT: Vortex-induced vibrations (VIV) are a fluid-structure interaction phenomenon where an immersed body vibrates due to the vortex shedding generated by the flow along its walls. Under certain conditions, the coupling between the motion of the body and the flow may induce important vibrations and damage it by fatigue. The objective of this research project is to simulate the VIV phenomenon for a zero mass cylinder with two degrees of freedom, in a three-dimensional flow at low Reynolds number (Re < 300). This work follows previous VIV studies in two-dimensional laminar flows performed by researchers at Polytechnique Montréal. The numerical study is carried out with an in-house code based on the spectral element method. Before any VIV simulations, the first step of the project is to adapt this code to solve fluid-structure coupling problems. This study is therefore divided in two parts, the first half focuses on verification, validation and optimization of the code. An implicit strongly coupled scheme is implemented to solve the specific VIV coupling. The second part is dedicated to the simulation of the VIV phenomenon and its detailed analysis. Two-dimensional cases are simulated to validate the numerical model before the final three-dimensional study.


identifier: Hosseinimanesh, H. (2016). 3D Numerical Modeling of Transient Conditions in Francis Turbines  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ces dernières années, plusieurs études se sont intéressées à l'amélioration de la conception des turbines hydroélectrique dans le but de réduire les effets négatifs des conditions d'opération hors design et des phénomènes transitoires. Néanmoins, encore plus d'efforts sont nécessaires pour fournir aux ingénieurs de conception des méthodes de simulation efficaces et robustes pour des conditions d'exploitation complexes et instationnaires. Il existe plusieurs approches concurrentes en cours de développement qui doivent être évaluées et comparées. Cette recherche vise à combler ce manque, en développant et en évaluant des méthodologies d'analyse des turbines Francis lors des opérations de rejet de charge, de vitesse à vide et d'emballement. Cette recherche évalue des techniques de calcul de la vitesse d'emballement et de la vitesse à vide en utilisant des simulations numériques stationnaires et instationnaires. Deux méthodes sont comparées en calculant des paramètres dynamiques de la turbine pour trois cas composés de turbines Francis de haute et moyenne chute. Les simulations en stationnaire sont faites en utilisant un résoluteur fluide commercial, couplé avec un algorithme itératif basé sur la relation entre le couple de la roue et la vitesse. Toutes les simulations stationnaires sont faites sur un seul passage du distributeur et de la roue, connectés avec un modèle d'interface de mélange. Pour la seconde méthode, les simulations instationnaires, utilisant la moyenne de Reynolds des équations de Navier-Stokes (RANS), sont couplées à une sous-routine maison qui calcule et retourne le pas de temps, la vitesse de rotation de la roue et le couple de frottement. Les simulations instationnaires sont effectuées sur deux configurations géométriques: une turbine complète et sur un seul passage du distributeur et de la roue. Le modèle de rotor-stator transitoire (TRS) est utilisé pour coupler le distributeur avec la roue, et la roue avec l'aspirateur, dans le cas de la turbine complète. Un modèle d'interface de mélange est utilisé coupler un passage du distributeur avec un passage de la roue, et un passage de la roue avec l'aspirateur. Les simulations instationnaires avec le modèle TRS sont plus précises que les simulations stationnaires et instationnaires avec le modèle d'interface de mélange, pour calculer la vitesse d'emballement et la vitesse à vide pour plusieurs angles d'ouverture. Les simulations stationnaires fournissent un compromis entre la précision et l'effort de calcul nécessaire pour calculer les vitesses d'emballement et à vide.  ABSTRACT: In recent years, several studies have focused on improving hydroelectric turbine designs in order to decrease the negative influence of off-design conditions and transient processes. Nevertheless, greater effort is still needed to provide design engineers with efficient and robust simulation methodologies for complex unsteady operating condition. There are several competing approaches currently in development that must be evaluated and compared. This study aimed to reduce this gap in the research, by evaluating and developing methodologies for analyzing Francis turbine operations during load rejection, no-load condition, and runaway. The research evaluated techniques for the calculation of the runaway speed, and no-load speed using steady and unsteady simulations. Two methods were compared by calculating turbine dynamic parameters for three test cases, consisting of high and medium head Francis turbines. The steady simulations were conducted using a commercial flow solver, and an iterative algorithm based on the relation between runner torque and speed. All steady simulations were performed on a single runner/distributor passage connected through a stage interface model. In the second method, unsteady RANS simulations were integrated with a user subroutine, to compute and return the value of the runner speed, the time step, and the friction torque. The unsteady simulations were performed for two geometric configurations: the complete turbine, and a single runner/distributor passage. The transient-rotor stator (TRS) model was used for connecting the runner and distributor, and the runner and draft tube in the complete turbine. The stage interface model was used for connecting the runner and distributor passages, and the runner's passage and draft tube. The unsteady simulations using TRS model were found more accurate than the steady and unsteady stage simulations for calculating the runaway and no-load speed for many opening angles. The steady simulations provided a compromise between accuracy and the computational effort required to calculate the runaway and no-load speed. In the second part of the project, the unsteady simulations were successfully applied in order to investigate the operation of a Francis turbine at no-load conditions. Numerical flow simulation was challenging, because the flow was irregular and unstable owing to large flow separation, vortex formation, and large amplitude pressure oscillations in the turbine and draft tube. The simulations led to a deeper understanding of flow physics and pressure fluctuations in the turbine and draft tube.


identifier: Labonté, V. (2016). Déposition d'un revêtement organique par voie photochimique sur des particules employées dans le contrôle qualité des médicaments injectables  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Après l'absorption orale, l'injection par intraveineuse est considérée comme étant la deuxième voie d'administration d'un médicament la plus importante. Afin de prévenir les incidents de granulomatose, d'embolie pulmonaire et d'occlusion veineuse chez le patient, le procédé d'inspection automatisée en place s'assure que chaque lot de médicaments injectables soit exempt de tout contaminant solide de diamètre supérieur à 50 μm. Afin de procéder à la qualification et à la validation périodique du système de détection, des billes standardisées de polystyrène-divinylbenzène (PS-DVB) de différentes tailles sont ajoutées à des seringues de contrôle dans le but d'imiter une contamination. La faible énergie de surface des billes standardisées conduit très souvent à l'adhésion irréversible des billes aux parois intérieures des seringues de contrôle, ce qui les empêche de bouger librement dans la solution. Comme le principe de la détection repose sur le mouvement des contaminants en suspension, le système d'inspection ne réussit pas à détecter les billes adhérées aux parois, et la validation du système est alors mise en échec. Ce problème majeur est à l'origine des nombreux remplacements des lots de seringues de contrôle, et comme ces derniers sont difficiles et coûteux à produire, l'industrie pharmaceutique accuse des pertes de temps et d'argent considérables pour ce qui devrait être qu'une simple étape de validation faite au jour le jour. L'objectif principal du projet de recherche est de résoudre le problème d'adhésion en forçant les billes de PS-DVB à demeurer en suspension, de manière à assurer leur mouvement sous l'effet de l'agitation des seringues. L'adhésion relève des groupements fonctionnels de faible énergie du polystyrène, tels que les liaisons simples C-C, C-H et les noyaux aromatiques. Un greffage en surface de groupements oxygénés (cétone, éther, carboxylique, ester) par oligomérisation radicalaire serait un moyen efficace d'intégrer des effets de répulsion électrostatique entre les billes modifiées et la paroi des seringues. Dès lors que les effets électrostatiques dépasseraient en importance l'attraction de van der Waals entre le PS-DVB et la paroi, les billes seraient maintenues en suspension, et le système d'inspection serait alors en mesure de détecter leurs mouvements. L'oligomérisation par déposition de vapeurs chimiques (CVD) est une technique de choix permettant de travailler en phase gazeuse. Cette méthode a l'avantage de simplifier le traitement des effluents et d'être aisément transposable à grande échelle. Le substrat à modifier en surface vi est mis en contact avec des espèces chimiques actives ou « précurseurs ». Ces précurseurs sont activés grâce à une source d'énergie thermique, plasma ou lumineuse. Ils s'adsorbent ensuite sur le substrat et induisent l'oligomérisation radicalaire. La CVD photo-initiée (PICVD) est la forme de CVD la plus simple et la plus économique puisqu'elle ne requiert qu'un faible apport d'énergie, avec la lumière UV pour seule source d'activation de l'oligomérisation. De plus, comme l'apport d'énergie est restreint et les conditions d'opération sont plus douces, cette méthode favorise une meilleure rétention des groupements fonctionnels en surface. La principale contrainte de la PICVD est de trouver un initiateur efficace, polyvalent et photo-actif à des longueurs d'onde d'énergie raisonnable. Heureusement, le PS-DVB fournit ses propres radicaux libres pour amorcer l'oligomérisation radicalaire. Il suffit de l'exposer à la lumière UV d'une lampe germicide opérant à 253.7 nm. Dans ce travail de recherche, la PICVD est utilisée en vue de greffer des groupements fonctionnels oxygénés sur des billes de PS-DVB de tailles comprises entre 100 et 500 μm. L'air, l'ozone et le gaz de synthèse furent évalués à tour de rôle en tant que précurseur. Pour chaque précurseur à l'étude, le protocole d'une fonctionnalisation optimale a été élaboré grâce aux résultats d'un plan d'expérience faisant varier les principaux paramètres de procédé. Des films de polystyrène furent caractérisés en surface avant et après le traitement par goniométrie, FTIR, XPS et AFM. Les résultats obtenus ont confirmé le greffage de groupements cétone, hydroxyle, carboxylique, éther et ester. Finalement, des mesures de potentiel zêta ainsi que des tests de dispersion indiquent que les billes de PS-DVB sont maintenues en suspension dans des seringues de contrôle après traitement, contrairement à celles qui n'ont pas été traitées. La solution au problème d'adhésion tel que présenté dans ce mémoire permettra à l'industrie pharmaceutique de rencontrer les standards élevés de contrôle qualité tout en réalisant des économies considérables de temps et d'argent. Cette solution serait également transposable à toutes les autres industries rencontrant des problèmes d'adhésion de particules. La principale recommandation pour des travaux futurs consiste à étendre la fonctionnalisation à des contaminants réels couramment rencontrés en industrie, en vue de produire des lots de seringues de contrôle qui seront non seulement de qualité optimale, mais qui seront également plus représentatifs de la réalité.  ABSTRACT: After oral absorption, intravenous injection is considered to be the second most important administration path to administer a medicine. In order to prevent incidents of granulomatosis, pulmonary emboli and venous occlusions with the patient, the automated inspection process in place makes sure that each batch of injectable medicine is free of solid contaminants with diameter exceeding 100 μm. For qualification and periodical validation of the detection system, standardized polystyrene divinylbenzene (PS-DVB) beads of different sizes are seeded inside control syringes to mimic contamination. The low surface energy of the PS-DVB frequently leads to the beads' irreversible adhesion to the inner wall of the container, which prevents them from moving freely inside the solution. As the detection principle relies on contaminant motion inside a suspension, the inspection system is unable to detect adhered beads, and the validation of the system fails. This major issue leads to the frequent replacement of control syringe sets, and since they are difficult and costly to produce, the pharmaceutical industry incurs important losses of both time and money for what should be a simple day-to-day validation step. The main goal of this project is to solve this issue by forcing the PS-DVB beads to stay in suspension, so their motion is ensured inside a control syringe subjected to agitation. Adhesion is due to the low energy functional groups of the polystyrene, such as the C-C and C-H simple bonds and the aromatic rings. Surface grafting of oxygenated groups (ketone, ether, carboxylic, ester) by free radical polymerization would be an efficient way to integrate electrostatic and steric repulsion effects between the treated beads and the syringe walls. Once the electrostatic and steric repulsion effects overcome the van der Waals attraction effect between the PS-DVB and the wall, the beads would repulse the inner wall and be kept in suspension. The inspection system would then be able to retrace their motion. Polymerization by chemical vapor deposition (CVD) is a useful technique to treat surfaces in gas phase. This method has the advantages of simplifying downstream treatment and being transposable to higher scales. The substrate to be surface modified is brought into close contact with active chemical species or “precursors”. These precursors are activated thanks to a thermal, plasma or luminous energy source. They further adsorb to the substrate and enable the free radical polymerization process. Photo-initiated CVD (PICVD) is the most simple and economical CVD form, as it only requires a low energy input, with UV light being the only polymerization viii activation source. Moreover, since the energy input is low and the operational conditions are smooth, this method favors a better retention of the grafted functional groups. The principal drawback of PICVD is to find a photo-active initiator that is efficient, versatile and able to absorb energy at reasonable wavelengths of UV light. Fortunately, PS-DVB provides its own free radicals to initiate free radical polymerization. It only needs to be exposed to the UV light of a germicidal lamp operating at 253.7 nm. In the following work, PICVD is been used in order to graft oxygenated functional groups on PS-DVB beads of sizes ranged between 100 and 500 μm of diameter. Air, ozone and syngas were evaluated as precursors. For each of these, the optimal functionalization protocol was developed according to the results of an experimental plan varying the principal process parameters. Polystyrene films were characterized before and after treatment through goniometry, FTIR, XPS and AFM. Results confirmed the grafting of ketone, hydroxyl, carboxyl, ether and ester groups. Zeta potential calculations and dispersion tests finally indicated that PS-DVB beads were kept in suspension inside control syringes after treatment, contrary to untreated beads. The solution to the adhesion problem as presented in this thesis will allow the pharmaceutical industry to meet the high quality control standards while making a significant economy of both time and money. This solution is also transposable to any other industry facing particle adhesion issues. The principal recommendation for future work would be to extend the functionalization process to native contaminants commonly found in the industry. This will allow production of control syringe sets that would not only be of optimal quality, but which would also be more representative of reality.


identifier: Cao, X. V. A. (2016). Développements méthodologiques pour l'utilisation des terres en évaluation des impacts du cycle de vie : application aux polymères agro-sourcés  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des terres est une catégorie d'impact historiquement présente en analyse du cycle de vie (ACV), qui est une méthodologie d'évaluation environnementale et un outil d'aide à la décision. Les impacts des interventions environnementales sont évalués par rapport à une référence au moyen de facteurs de caractérisation (CFs) et portent sur la biodiversité terrestre et les principales fonctions écologiques des sols : les capacités de filtration mécanique et physicochimique de l'eau par les sols, la régulation du climat par séquestration du carbone, la régulation de l'eau souterraine par recharge des nappes phréatiques, la régulation de la résistance des sols à l'érosion et la production biotique. Dans cette catégorie d'impact, l'intervention environnementale est un type de couverture de terres (agricole, pâturages ou urbain par exemple) dans un lieu donné (au vu du caractère local de la catégorie d'impact). Les travaux du projet LULCIA du groupe de travail de l'UNEP/SETAC (2008-2013) ont permis de consolider les connaissances existantes et de proposer des classifications harmonisées et selon plusieurs niveaux pour les couvertures de terre et pour différents niveaux de résolution de l'information spatiale. Cependant, ces développements restent encore trop limités afin de pouvoir décrire et comparer les impacts potentiels de différents systèmes agro-sourcés sur l'utilisation des terres : les types de biomasse ne sont pas distingués en termes de couvertures de terre et la différentiation spatiale repose sur un découpage spatial de faible résolution et une hypothèse d'homogénéité des paramètres des sols au sein des unités du découpage. Ainsi, si les ACVs permettent de discriminer les impacts des systèmes agro-sourcés sur la consommation d'eau (irrigation), l'acidification, l'eutrophisation (emploi de fertilisants) ou encore le changement climatique (changement indirect d'affectation des terres), ce n'est pas encore le cas pour l'utilisation des terres. Au-delà d'améliorer l'évaluation environnementale des polymères agro-sourcés, mieux modéliser les impacts de et sur l'utilisation des terres est crucial, dont les enjeux sur les sols sont cruciaux ne serait-ce avec seulement la demande alimentaire. La perte de biodiversité, l'appauvrissement en nutriments de sols, l'érosion, la salinisation des sols inquiètent en effet de plus de plus les instances nationales et internationales (FAO, Programme des Nations Unies pour l'Environnement, UNESCO, World Resource Institute). L'objectif principal de cette thèse est d'améliorer la robustesse scientifique et la pertinence environnementale des CFs pour évaluer la perte de fonctions écologiques associée à l'utilisation des terres dans le contexte de l'ACV en abordant ces limites méthodologiques. Pour cela, trois développements méthodologiques sont proposés : a) développer une méthode de modélisation des fonctions écologiques en un seul indicateur dommage par évaluation économique de perte de services écosystémiques captés par la société, pour en permettre la comparaison et aider à la prise de décision ; b) modéliser deux fonctions écologiques (la résistance à l'érosion et la recharge des nappes phréatiques par ruissèlement) pour des types spécifiques de biomasse (blé, maïs et soja) et pour une résolution spatiale élevée et c) analyser et comparer différents choix de niveau de référence dans les calculs des CFs pour assurer une bonne interprétation des scores d'impacts, en particulier en regard du champ d'étude de l'ACV. Les trois développements sont appliqués sur l'étude comparative de polymères agro-sourcés (l'acide polylactique, l'amidon thermoplastique, le bio-polyéthylène et un polyhydroxyalcanoate) produits à partir de différents types de biomasse dans différentes régions. Ces contributions permettent d'une part de mieux modéliser les impacts de l'utilisation des terres en revenant sur les choix de modélisation de l'échelle spatiale et du niveau de référence nécessaire aux calculs. Les résultats montrent que l'hypothèse d'homogénéité des paramètres d'entrée dans les archétypes pour la modélisation environnementale n'est pas fondée pour les fonctions écologiques modélisées (érosion, ruissèlement) et créé une variabilité spatiale des résultats qui peut atteindre trois à six ordres de grandeur rapport à une modélisation systématique. Le choix du niveau de référence peut quant à lui induire des inversions de conclusions dans une analyse comparative. Ainsi, en comparant la production du blé avec celle du soja pour les régions communes de production dans le monde entier, jusque 50% des conclusions peuvent être inversées en raison du choix différent de niveau de référence. D'autre part, la différentiation plus fine des couvertures de terres permet pour la première fois de comparer des systèmes agro-sourcés différents en tenant compte des impacts sur deux fonctions écologiques (l'érosion et le ruissèlement) et non seulement des rendements agricoles, comme ce que permettaient les facteurs génériques existants auparavant. La comparaison des facteurs génériques avec des facteurs spécifiques au blé, au maïs et au soja sur l'ensemble des régions communes de production dans le monde présente des inversions de classement des scores d'impact pour 22% des régions, ce qui démontre la pertinence du développement de ces facteurs spécifiques. Enfin, l'interprétation des résultats est améliorée par l'élaboration d'un niveau d'interprétation complémentaire des indicateurs biophysiques qui traduit les impacts sur les fonctions écologiques dans une même unité représentant le capital naturel altéré par l'utilisation des terres. L'indicateur résultant permet en effet d'évaluer des systèmes agro-sourcés avec un seul indicateur représentant les impacts de l'utilisation des terres. Cet indicateur inclut les différentes fonctions écologiques et les hiérarchise. Les impacts potentiels de l'utilisation des terres sont très contextuels, de sorte qu'il est difficile de donner un résultat absolu de classement des polymères agro-sourcés. En effet, le caractère local affecte doublement le calcul des impacts par les facteurs de rendements agricoles et les CFs. En général, il apparaît que l'amidon thermoplastique génère moins d'impacts que les autres agro-polymères en raison de la conversion plus efficace de biomasse en polymère. Les développements méthodologiques de cette thèse mettent de l'avant les choix de modélisation des CFs, ainsi que leurs implications sur leur interprétation. Cela permet à l'utilisateur de ces CFs de pouvoir les utiliser dans leur périmètre de validité et l'aide lors de la réalisation de l'étude ACV. En effet, le choix du niveau d'évaluation des indicateurs (problème ou dommage), de la résolution spatiale de l'étude ainsi que du niveau de référence dépendent respectivement du destinataire de l'étude, des données disponibles en inventaire et des objectifs de l'étude. Améliorer la modélisation de l'indicateur dommage développé, mieux comprendre les interactions entre les fonctions écologiques et entre les différents niveaux de référence, intégrer les aspects temporels et dynamiques, ainsi que calculer les incertitudes des CFs pour l'utilisation des terres constituent autant de perspectives et opportunités de recherche.  ABSTRACT: The land use impact category has always been part of life cycle assessment (LCA), which is both an environmental impact assessment methodology and a decision support system. Impacts on land are characterized using characterization factors (CFs) in respect to a reference situation on several impact pathways: terrestrial biodiversity loss and soil main ecological functions losses. Biotic production, climate regulation, erosion resistance, freshwater regulation and mechanical and physicochemical purification potentials are assessed. In this impact category, the environmental intervention assessed is a land cover type (e.g. cropland, pastureland or urban) in a specific location (given the local character of the impact category). The research project LULCIA from the UNEP/SETAC taskforce on land use (2008-2013) has led to a consensus on existing knowledge. In particular, harmonized typology of land cover types and a systematic classification of spatial scales of impact assessment have been established. Nevertheless, these developments still do not make it possible to describe and compare land impacts of systems based on different biomass types, since the land covers characterized by the available CFs are not detailed enough. In addition, their spatial differentiation relies on coarse spatial archetypes in which soil parameters are assumed to be homogeneous. Thus, LCAs can discriminate different bio-based systems by their impacts on water (water management practices), acidification, eutrophication (use of fertilizers) or climate change (additional emissions due to indirect land use change) but not discriminate them by their impacts on land. Given that land degradation is already a burning issue with the food sector only, increasing demand from bio-based systems supports the growing needs of improving how impacts on land are currently addressed. The decline of terrestrial biodiversity, soil general degradation, erosion and fertility loss and salinization have become high on national and international environmental agendas (FAO, UNEP, UNESCO, World Resource Institute). The main objective of this thesis is to improve the scientific robustness and environmental relevance of characterization factors to assess the ecological functions losses due to land use in the LCA context. To this end, three methodological developments are undertaken: a) develop a framework to convert ecological functions losses into a single ecosystem services loss indicator by economic valuation to enable comparison and help the decision-making; b) model two ecological functions (erosion resistance and freshwater regulation through runoff) to specific biomass types (maize, soybean and wheat) and at high spatial resolution and c) analyse and compare different reference situation choices to ensure an explicit interpretation of LCA land impact scores, particularly in relation to LCA goal and scope. These three developments are applied on the case study comparing bio-based polymers (bio-polyethylene, poly-hydroxy-alkanoate, poly-lactic acid and thermoplastic starch) produced from different biomass types in different regions. First, the contributions improve the modelling of impacts on land by challenging on the spatial scale and the reference situation modelling choices. The results show that considering input parameters homogeneous by biomes does not apply in the case of erosion and runoff. Relying on biome archetypes induces a variability in the results from three up to six orders of magnitude. Regarding the reference situation, the modelling choice leads to inversions in the conclusions in a comparative assessment. When comparing soybean and wheat on common production regions, results from different reference situations may be reversed in up to 50% in the regions compared. Moreover, refining land covers enable to assess and compare bio-based systems produced from different types of biomass by their actual impacts and not the biomass yields only. This could not be done with existing generic CFs. At the global extent, results from these generic CFs and from CFs specific to maize, soybean and wheat on common production regions lead to inversions of the impact scores rankings up to 22% of the regions compared. This demonstrates the relevance of developing the crop-specific CFs. Finally, interpretation of the impact scores is supported with an additional level of interpretation converting ecological functions losses in the same unit representing the natural capital loss due to land use. This indicator allows to compare bio-based systems with a single indicator of land use impacts. Such indicator embeds multiple aspects of land ecological functions and prioritize by their importance. Impacts scores of land use are very contextual, making it difficult to outline an absolute ranking of bio-based polymers. The local nature of the land impact category affects both the agricultural yields in the inventory calculation and the CFs values. Nevertheless, it appears that thermoplastic starch polymer type has less impacts than the others bio-based polymers because of the more efficient conversion from biomass to polymer. The methodological developments in this thesis highlight the modelling choices in the CFs calculations and how they affect the CFs interpretation. Making the validity perimeter of the CFs explicit helps the user when performing an LCA.  The practitioner will make better and consistent choices regarding the midpoint or endpoint indicators, the spatial resolution of the study, as well as the reference situation, which respectively depend on the study public, available data and the objectives of the study. Some issues still remain. Improving the ecosystem services indicator modelling, understanding better the interactions between the ecological functions and the relationships between the reference situations, integrating temporal and dynamic aspects in land use as well as evaluating the uncertainty of the land use CFs are research development avenues to undertake.