identifier: Mosser, P. A. (2012). Comparaison de méthodes de détection du vortex dans des cuves agitées  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un des travaux les plus significatifs dans le domaine de la prédiction des formes de la surface libre dans des cuves agitées date d'une quarantaine d'années avec la contribution de Shinji Nagata. Bien que les travaux de Nagata aient marqué le savoir sur les surfaces libres, la prédiction de l'état de la surface libre dans des cuves agitées en milieu industriel demeure un sujet qui a besoin de plus d'études. L'objectif de cette étude est d'évaluer la pertinence de deux méthodes expérimentales permettant de déterminer la forme de la surface libre depuis le haut d'une cuve de mélange. Un fluide newtonien à très faible viscosité est utilisé afin d'obtenir des vortex quantifiables. La première méthode, utilisée comme référence, se base sur des observations latérales d'une cuve à parois transparentes. La deuxième méthode, utilise un faisceau laser et une caméra CCD pour extraire la forme de la surface libre. La troisième méthode repose sur du traitement d'images et de l'échelle des gris afin de déterminer la forme tridimensionnelle de la surface libre. Dans le but d'évaluer la performance de chaque méthode, des essais de comparaison sur leur précision et reproductibilité sont effectués. Les résultats indiquent que les deux dernières méthodes (l'échelle des gris et le faisceau laser) fournissent des résultats fiables concernant la forme des vortex. Toutefois, la troisième méthode est celle qui dispose de la variabilité la plus grande. En plus, les méthodes testées permettent d'obtenir des mesures quantitatives pouvant adresser la modélisation de la forme des vortex dans les cuves agitées. Les méthodes d'investigation présentées dans cette étude sont utiles pour caractériser et déterminer les formes et profondeurs des vortex présents dans des conditions industrielles de mélange dans lesquelles des fluides et des cuves transparents ne sont pas utilisés.  ABSTRACT: One of the most significant work on the prediction of the free surface shape in agitated tanks dates back to Nagata's early contribution, over 40 years ago. Despite the usefulness of Nagata's findings, more work is required in order to predict the shape of free surfaces accurately, especially in industrial conditions. The aim of this work was to evaluate the applicability of two experimental methods for determining the free surface shape from the top of a tank. A Newtonian fluid of low viscosity was used to generate quantifiable vortexes. The first method, used as a reference, is based on lateral observations of a transparent tank and on video recordings. The second one makes use of a laser beam to determine analogous information. The third method relies on image processing and grey scales to determine both the shape and the depth of the vortex. To assess the performance of each method, we compare their accuracy and repeatability. The results indicate that both methods (gray shades and laser beam) can provide reliable results for obtaining the shape of the vortex. However, more variability was observed with the gray shades method. Additionally, the methods tested can provide quantitative measurements leading to the modelling of the shape of the vortex. The investigation methods presented herein will be helpful to determine vortex shapes and depths in industrial mixing conditions where transparent tanks and fluids are not used.


identifier: Cartier, D. (2012). Optimisation sous contraintes d'un modèle hydrologique pour une représentation de la physique des processus  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les modèles hydrologiques sont utilisés sur une base quotidienne par nombre d'experts notamment pour dimensionner des ouvrages, planifier la production d'hydroélectricité ou limiter les dommages liés aux inondations. Ces simulations informatiques sont conçues afin de reproduire le cycle de l'eau par le biais d'équations afin d'arriver à une estimation fiable des débits à l'exutoire d'un bassin versant. Des variables d'optimisation sont présentes au sein de ces équations et la principale difficulté liée à l'utilisation de ces modèles consiste à trouver l'ensemble de valeurs produisant la série de débits la plus près de celle réellement observée. Cette opération se nomme calage ou étalonnage de modèles hydrologiques et offre une paramétrisation réalisée à partir de données historiques. Dans un contexte de réchauffement planétaire, des entreprises comme Hydro-Québec se doivent de produire des projections futures des débits afin de mesurer l'impact des changements climatiques sur leurs activités. Une paramétrisation basée sur le passé soulève un doute quant à son applicabilité en période future, où les événements hydrométéorologiques pourraient être très différents. De plus, la formulation actuelle du problème d'optimisation ne permet pas d'encadrer les variables intermédiaires associées aux processus hydrologiques, comme la neige, l'évapotranspiration ou le débit de base. Ainsi, un ensemble de paramètres est fourni à la simulation et seule la sortie du modèle, donc les débits, est considérée. L'impact est une représentation des processus hydrologiques ne respectant pas les lois de la physique, ce qui renforce l'hypothèse selon laquelle la présente paramétrisation du modèle ne peut, en toute confiance, être transposée en contexte de changements climatiques. L'objectif visé par ce mémoire est donc, par le biais des outils d'optimisation, de présenter une méthode de calage orientée vers la physique des processus et offrant une paramétrisation robuste en contexte de changements climatiques; notre hypothèse de recherche étant qu'un ensemble de paramètres offrant un respect de la physique dans la représentation des processus hydrologiques est préférable a une solution présentant une meilleure valeur de la fonction objectif, mais modélisant les processus en toute liberté. Ainsi, deux stratégies de calage ont été mises de l'avant et sont comparées à la méthode largement utilisée dans la communauté scientifique, notamment chez Hydro-Québec. La première stratégie proposée vient, par le biais d'une contrainte, recentrer le bilan de l'évapotranspiration réelle sur la valeur offerte par l'Atlas du Canada, alors que la seconde, toujours via une contrainte, met à profit l'immense base de données qu'offrent les modèles climatiques en contraignant la forme du cycle de l'évapotranspiration réelle. Cette approche par contraintes a été raffinée par l'utilisation d'un outil d'analyse de sensibilité des contraintes offert en complément de l'implémentation de MADS (NOMAD). Chaque contrainte fut ainsi traitée afin d'être relâchée ou resserrée selon la sensibilité de la fonction objectif et selon la confiance en la qualité des données observées, souvent entachées d'erreurs. Ce sont donc des milliers d'optimisations qui ont été réalisées par l'algorithme MADS afin d'arriver à une comparaison des différentes méthodes sur le plan de la juste représentation des hydrogrammes et des évapogrammes (ou cycle annuel moyen de  l'évapotranspiration), ainsi que sur la variabilité de la paramétrisation et la robustesse des solutions. De ces analyses, il est ressorti que le calage parallèle offre la meilleure performance pour plusieurs raisons. Une forte corrélation a été remarquée entre la qualité des solutions produites par l'optimisation et celles produites en simulant les débits d'un ensemble de données n'ayant pas servi à la calibration, dites de validation. Ainsi, il est possible de conclure à une solide robustesse pour une utilisation en contexte de changements climatiques. La meilleure solution obtenue par la stratégie de calage parallèle s'est aussi révélée capable de produire une meilleure représentation des débits en validation que l'ensemble des stratégies, le tout en modélisant le processus d'évapotranspiration de façon à respecter la physique. L'application la plus notoire de la méthode développée dans ce mémoire est l'adoption de la stratégie de calage parallèle pour le projet (CQ)². Ce projet, collaboration d'Hydro-Québec, du consortium Ouranos sur la climatologie régionale et l'adaptation aux changements climatiques, du Centre hydrique du Québec (CEHQ) et de l'entreprise Rio Tinto Alcan, vise à qualifier et à quantifier les impacts des changements climatiques sur le régime hydrologique québécois. Pour y arriver, une paramétrisation unique a été optimisée à l'aide du calage parallèle pour chacun des 324 bassins versants recouvrant l'ensemble du territoire québécois. Au terme de ce projet, ce sont presque 160 000 scénarios hydroclimatiques qui auront été générés, soit 98 simulations climatiques employant 5 différentes méthodes de post-traitements déployées sur les 324 bassins versants. Cette base de données considérable n'a de valeur que si l'étalonnage du modèle est valide et c'est donc une grande marque de confiance des décideurs du projet envers les résultats obtenus dans cette recherche que d'avoir choisi notre méthode pour la calibration du modèle HSAMI. Les contributions de ce mémoire à l'avancement des connaissances en hydrologie sont nombreuses. La plus flagrante est la présentation d'une méthode de calage robuste pouvant être transposée en contexte de changements climatiques et pouvant être étendue à plusieurs autres processus hydrologiques pour une représentation encore plus orientée vers la physique. D'ailleurs, l'intégration de données complémentaires provenant de modèles climatiques dans le processus d'optimisation est proposée pour la première fois à la communauté scientifique. Le regard nouveau porté sur les processus d'optimisation a permis une amélioration non négligeable de la performance de l'algorithme d'optimisation par le biais de l'emploi approprié des options offertes. L'utilisation du module complémentaire d'analyse de sensibilité a aussi ouvert de nouvelles portes en offrant la possibilité de mettre à profit les connaissances des utilisateurs d'un modèle dans la formulation adéquate des contraintes. L'approche de calage par contraintes proposée dans cette recherche s'en est vue bonifiée et de nouvelles avenues de recherche en ont découlé. Finalement, pour le domaine de la recherche opérationnelle, ce projet a offert une belle opportunité d'application des outils de l'optimisation. Non seulement l'algorithme MADS est-il mieux compris par les chercheurs de l'IREQ, mais le module d'analyse de sensibilité s'est fait connaître et continuera d'être employé.  ABSTRACT: Hydrological models are used on a daily basis by many experts in particular to design dams, to plan hydropower production or reduce flood damages. These computer simulations are employed to model the water cycle through equations in order to achieve a reliable estimate of flows at the outlet of a watershed. Optimization variables are present in these equations and the main goal is to find the set of values producing the flow series closest to the one actually observed. This operation is called calibration of hydrological models and provides a parameterization using historical data. In a context of global warming, companies such as Hydro-Québec must produce projections in order to measure the impact of climate changes on their activities. Parameterization based on the past hydrological series raises doubt as to its applicability in future periods, where hydrological events could be different. In addition, the current formulation of the optimization problem does not allow to monitor intermediate variables associated with hydrological processes, such as snow, evapotranspiration or base flow. Thus, a set of parameters is provided to the simulation and only the output of the model, the flow, is considered. The impact can be a representation of hydrological processes not necessarily complying with the physical laws, which reinforces the hypothesis that the manner in which models are calibrated cannot confidently be transposed in the context of climate changes. Based on optimization tools, the objective of this paper is to develop a calibration method oriented on physical processes and provide a robust parameterization in the context of climate changes; our research hypothesis is that a set of parameters modeling hydrological processes with respect to the physical representation leads to a better solution than one which relies only on a better value of the objective function, modeling hydrological processes with complete freedom.  While two calibration strategies are put forward and are compared to the method currently used at Hydro-Québec. The first strategy which is proposed focuses on the assessment of the actual evapotranspiration of the value offered by the Atlas of Canada through a constraint. The second uses the database offered a climate model by constraining the shape of the actual evapotranspiration cycle. This approach with constraints is refined using a sensitivity analysis tool available in the NOMAD package. Each constraint is thus treated to be relaxed or tightened depending on the sensitivity of the objective function and according to the confidence in the quality of the observed data, often marred by error. Thousands of optimization are performed by the MADS algorithm to compare different methods in terms of a good representation of hydrographs and evapographs (or average annual cycle of evapotranspiration), as well as the variability of “optimal” sets of parameters and the robustness of these solutions. From these analyses, the parallel calibration was found to offer the best performance on many levels. A strong correlation is found between the solutions produced by the optimization and those produced by simulating the flow of a set of data not used for calibration, called validation. Thus, it is possible to conclude to a stronger robustness in the context of climate changes. The best solution obtained by the parallel calibration strategy is also proved capable of producing a better representation of the validation flows than the other strategies, while modeling the evapotranspiration process in order to respect physical process. The most remarkable application of the method developed in this thesis is the adoption of parallel calibration strategy for the project (CQ)². This project, which brings together with Hydro-Québec, the Ouranos consortium on regional climatology and climate changes adaptation, the Centre d'expertise hydrique du Québec (CEHQ) and Rio Tinto Alcan, aims to qualify and quantify the impacts of climate changes on the hydrological regime in Quebec. To attain this goal, a single parameterization has been optimized using parallel calibration for each of the 324 watersheds covering the entire province of Quebec. At the end of this project, almost 160 000 hydroclimatic scenarios have been generated, from which 98 climate simulations using five different methods of post-processing deployed on 324 watersheds. This considerable database only has value if the model calibration is valid and it is thus a great vote of confidence from the project decision makers towards the results obtained in this research to have chosen our method for the calibration of the HSAMI Model.  The contributions of this thesis to the advancement of knowledge in hydrology are numerous. The most obvious is the development of a robust calibration method which can be implemented in the context of climate changes and can also be extended to several other hydrological processes for better physical representation. In fact, it is the first time that data from a climate model are integrated in the calibration process. This new perspective on the optimization procedure results in a significant improvement of the performance of the optimization algorithm through the appropriate use of the offered options. The use of a complementary sensitivity analysis module also opens new doors in offering the possibility to better take advantage of the user knowledge of a model in formulating appropriate constraints. The calibration constraint approach proposed in this research is thus enhanced and new avenues of research result from it. Finally, for the operational research field, this project provides a great opportunity for the application of optimization tools.


identifier: Merle, A. (2012). Analyse de l'implantation d'outils de Lean Construction au chantier AP60 Phase 1  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les entreprises travaillant dans le secteur de la construction commencent à s'intéresser de plus en plus fortement aux méthodes qui ont permis au secteur manufacturier d'augmenter ses performances de production. Cette recherche s'intéresse au cas du Projet AP60, projet de construction d'une aluminerie au Québec. Rio Tinto Alcan (RTA), le maître d'œuvre et client du projet, a choisi d'explorer l'introduction de la culture Lean sur le chantier de construction de sa future usine. Depuis 2008, RTA a déjà développé cette culture dans ses installations industrielles et l'entreprise a pu en observer les bénéfices. Dans le cadre d'une recherche-intervention, le chercheur a intégré l'équipe du maître d'œuvre de construction. Pleinement intégré aux équipes sur le terrain, d'abord au sein du bureau de projet puis rapidement au chantier à plein temps, il a agi en tant qu'agent de changement pour la mise en place d'outils Lean en construction. Grâce à cette présence sur le terrain, à des entretiens et à l'utilisation d'un questionnaire destiné à recueillir les réactions des parties prenantes, le chercheur a analysé le déploiement d'outils Lean Construction sur un chantier de grande envergure. Ce mode de fonctionnement a permis au chercheur d'établir des recommandations quant à l'introduction de la culture Lean dans un nouveau projet de construction. Ce mémoire apporte une vision inédite et interne du processus d'introduction de la culture Lean sur un chantier de construction et du cheminement des parties prenantes à travers ce changement. Il met en évidence les gains obtenus par l'introduction d'une culture d'élimination des gaspillages et l'utilisation d'outils issus de cette culture. Enfin il met l'accent sur l'importance du travail à mettre en œuvre pour parvenir à ces gains, travail de chacun et principalement de la hiérarchie à tous ses niveaux.  ABSTRACT: Construction companies are increasingly interested in the methods which allowed manufacturing industries to increase their production performances. This master thesis focuses on AP60 Project, the construction of an aluminum smelter in Quebec. Rio Tinto Alcan (RTA), the master of work and owner of the project, chose to explore the usage of the Lean culture in the construction effort of its future plant. Since 2008, RTA applies said culture in its production facilities and gains were consistently observed. In the context of an intervention-research, the researcher joined the owner's team. Fully integrated with the project teams, firstly at the office, then on site on a permanent basis, he acted as an agent of change for the implementation of Lean tools. The researcher analyzed the deployment of Lean Construction's tools on site by means of a questionnaire designed to gather feedback from stakeholders, interviews with stakeholders as well as his presence on site. This modus operandi enabled the researcher to make recommendations regarding the introduction of Lean culture in a future construction project. This master thesis provides an internal and innovative vision of the process of introducing Lean culture on a construction site, coaching and tracking stakeholders through change. It highlights the gains obtained by the introduction of a waste eliminating culture and the adaptation of tools from classical Lean culture. Finally, it emphasizes the magnitude of the required work in order to achieve these gains, both at the individual and management levels.


identifier: St-Georges-Robillard, A. (2012). Couches minces organiques riches en amines primaires par photo-polymérisation ultraviolette : caractérisation et applications biomédicales  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les biomatériaux ont grandement évolué au cours des dernières décennies. Il existe maintenant plusieurs types de biomatériaux polymériques possédant des caractéristiques physiques et mécaniques adaptées à différentes applications, mais dont la biocompatibilité doit être optimisée. Ce projet se concentre sur l'amélioration des propriétés physico-chimiques de la surface de ces matériaux en y incorporant des amines primaires (R-NH2), un groupement fonctionnel reconnu pour favoriser l'adhésion et la croissance cellulaire, et ce, dans le cadre de deux applications biomédicales. Tout d'abord, on cherche à développer une surface de culture cellulaire permettant l'adhésion des monocytes U937. Ces cellules sont utilisées pour étudier l'effet des particules d'usure des prothèses de hanche dans le cadre de l'ostéolyse périprothétique, une des causes majeures de défaillance de ces prothèses. De plus, une des stratégies employées pour améliorer le taux de succès des prothèses vasculaires polymériques est la création d'une couche de cellules endothéliales sur la paroi interne de la prothèse. Pour ce faire, l'obtention d'une surface améliorant l'adhésion et la croissance des cellules endothéliales de veine ombilicale humaine (HUVEC) est nécessaire. Des études antérieures ont démontré que l'ajout de groupements R-NH2 sur la surface de culture permet l'adhésion des monocytes U937, selon une concentration critique [NH2]crit, et améliore la prolifération des HUVEC. Le dépôt de couches minces organiques par photo-polymérisation ultraviolette permet d'ajouter un revêtement riche en groupements R-NH2, nommé UV-PE:N, sur un substrat. Le dépôt chimique en phase vapeur permet également de déposer une couche mince de parylène diX AM riche en R-NH2. La stabilité physico-chimique de ces revêtements dans l'air et dans l'eau, essentielle pour les applications biomédicales, a tout d'abord été étudiée, en mesurant la perte d'épaisseur et la variation de la composition chimique de la surface, en particulier celle des amines primaires. Le vieillissement subit par le parylène diX AM en contact avec l'air ambiant est responsable d'une diminution de [NH2]/[C] d'environ 6 % sur 22 jours et est seulement causé par l'oxydation des groupements R-NH2, tandis que dans le cas des deux types d'UV-PE:N [NH2]/[C] diminue de seulement 2,5 % sur 26 jours et un deuxième mécanisme est présent, soit la réaction des radicaux présents dans la surface avec cet oxygène, qu'il soit dans l'air ou dissout dans l'eau. L'UV-PE:N présente une insolubilité, malgré une haute concentration en azote, et une  ABSTRACT: Biomaterials have evolved significantly over the past decades. There are now several types of polymeric biomaterials with physical characteristics suited to different applications. This project focuses on improving the physico-chemical properties of the surface of these materials by incorporating primary amines (R-NH2), a functional group known to promote adhesion and cell growth, in the context of two biomedical applications. First, it is necessary to develop a cell culture surface that enables the adhesion of U937 monocytes. These cells are used to evaluate the effect of wear particles produced by the prosthesis in periprosthetic osteolysis, a major cause of failure of a hip replacement. Second, one of the strategies used to improve the success rate of polymeric vascular grafts is to create a layer of endothelial cells on the lumen of the prosthesis. A coating that promotes the adhesion and growth of human umbilical vein endothelial cells (HUVEC) is required to achieve that layer. Previous studies have demonstrated that the addition of R-NH2 groups on the coating allows the adhesion of U937 monocytes, provided that their concentration [NH2] is higher than a certain critical value, [NH2]crit; R-NH2 groups were also found to enhance the adhesion and proliferation of HUVEC. Two different primary amine-rich coatings are investigated in this work: organic thin films deposited by vacuum ultraviolet (VUV) photo-polymerization, UV-PE:N; and parylene diX AM, deposited by chemical vapor deposition (CVD). The physico-chemical stability of these coatings in air and in water, essential for biomedical applications, was first studied. “Aging” of parylene diX AM in contact with the ambient air caused a diminution of [NH2]/[C] of around 6 % during 22 days and is caused by the oxidation of R-NH2 by atmospheric oxygen, while in the case of UV-PE:N, the diminution is only of 2,5 % over 26 days. Also, a second aging mechanism is present: the reaction of trapped free radicals in the coating with oxygen in air or dissolved in water. The UV-PE:N coating proved virtually insoluble, despite a high concentration of nitrogen and showed excellent retention of the R-NH2 groups when immersed in water, two essential properties for applications in cell culture. These studies have also shown that UV-PE:N coatings (deposited with two gas ratios, R = 0.75 and 1) permit adhesion and survival of U937 monocytes without causing any significant inflammatory response, which enables one to study wear particle effects. However, the adhesion of U937 monocytes on parylene diX AM manifests a rather different behavior, adhesion being


identifier: Habert, S. (2012). Reconstruction 3D des artères coronaires à partir d'images angiographiques pour la visualisation en ligne des anévrismes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La maladie de Kawasaki est une pathologie pediatrique provoquant un dereglement immunitaire. Elle entra^ne une in ammation des vaisseaux sanguins de moyen et grand calibres. Chez environ 30% des patients non traites apparaissent une in ammation des arteres coronaires, qui se manifeste par l'apparition d'anevrismes et peut mener, par la suite, a un deces par infarctus du myocarde. Ces anevrismes sont diagnostiques par un examen angiographique en injectant dans les arteres du patient un produit de contraste reactif aux rayons X. Les anevrismes sont alors observables sur les dierentes sequences d'images 2D acquises a dierents angles de vue a l'aide d'un C-arm biplan. Ces images permettent une evaluation qualitative, mais ne sont pas susantes pour pouvoir attester correctement de la geometrie 3D, parfois complexe, des anevrismes. Ceci oblige les medecins a multiplier le nombre de vues angiographiques, ce qui entra^ne sur-irradiation du patient aux rayons X. Une solution que nous proposons dans ce projet est d'eectuer une reconstruction 3D des arteres coronaires a l'aide des images angiographiques. L'objectif de cet outil est d'^etre rapide et automatique an de pouvoir ^etre utilise dans le cadre d'un examen angiographique. L'acquisition d'une nouvelle image ne se fera que si la reconstruction actuelle est insusante pour le medecin et necessite plus d'informations, permettant ainsi de rationaliser le nombre de vues au minimum necessaire. Les algorithmes de stereoscopie, couramment utilises pour la reconstruction 3D des arteres coronaires, ne permettent pas une reconstruction d'un volume en simpliant la plupart du temps l'artere a sa ligne centrale et rayons. De plus, le temps de mise en correspondance entre les images ne permet pas une utilisation iterative au cours de l'examen angiographique. An d'obtenir une reconstruction 3D volumique des arteres coronaires, nous avons choisi de nous pencher sur la technique de Forme a partir de la silhouette. Cette methode permet a partir de silhouettes d'un objet placees dans les dierentes vues de reconstruire cet objet volumiquement. Cette technique presente l'avantage de ne pas ^etre limitee dans le nombre de vues pouvant ^etre utilise et permet d'obtenir la forme de l'objet, ce qui se pr^ete tres bien a notre desir de visualiser la geometrie 3D de l'anevrisme. Nous appliquons donc dans ce memoire cette methode a des silhouettes d'arteres coronaires, obtenues apres segmentation de ces m^emes arteres. La reconstruction par voxels de Forme a partir de la silhouette presente l'avantage d'^etre rapide et automatique (pas de mise en correspondance des images a eectuer). Ainsi, la reconstruction par voxels consiste a tester chaque voxel d'une grille 3D avec la condition suivante : si la projection dans les plans detecteurs du centre du voxel appartient a l'interieur d'une silhouette pour chaque vue alors ce voxel appartient a la reconstruction. Dans un premier temps, nous testons la methode Forme a partir de la  ABSTRACT: Kawasaki disease is an immune dysfunction that typically aects children under the age of ve and causes in ammation of large and medium sized vessels. Kawasaki disease may cause the in ammation of coronary arteries that lead to aneurysms and heart attacks. Aneurysms can be observed by an angiographic examination. A contrast agent is injected into the patient's arteries through a catheter and serves to accentuate the arteries when radiographs are taken. Several image sequences of the arteries from dierent viewpoints are taken by means of a biplanar C-arm. These images allow a qualitative evaluation but, due to the high degree of overlapping structures that occurs in the 2D X-ray images, an aneurysm's often complex 3D geometry cannot be usually assessed correctly. As a result, the clinician must take several image series from dierent viewpoints, which leads to patient over-irradiation when unnecessary views are acquired. The solution proposed in this work is to create a 3D reconstruction of the coronary arteries from the angiographic images. The reconstruction method must be fast and automatic in order to be used during an angiographic examination. Also, we should be able to integrate newly acquired views to the existing 3D reconstruction, and new images should be taken only if the current reconstruction is not yet sucient for the physician, thereby restricting the number of view to the minimum required. Furthermore, the 3D reconstruction made "on the  y" should provide hints as to which new viewing angle to use. Such an iterative approach could also contribute toward reducing the number of angiographic views. The current state of the art in 3D reconstruction of coronary arteries invariably exploits stereoscopic vision algorithms. These approaches generally do not yield volume-based reconstructions since they simplify the artery to a centerline and radii, which is too coarse to represent the geometry of an aneurysm. Moreover, the stereo matching step is too time consuming to be integrated in an iterative procedure during an angiographic examination. To obtain a volume-based 3D reconstruction of the coronary arteries, we decided to focus on the technique called Shape from Silhouette (SFS). This method generates the volume-based reconstruction of an object from its silhouettes as seen from dierent orientations. The advantages are that an unlimited number of views can be used and that the reconstructed shape is suitable for our application, i.e. visualizing the geometry of the aneurysm. In addition, the SFS approach is fast and automatic (no stereo matching between images to perform). We apply this method on the silhouettes of coronary arteries, which are rst segmented from the angiographic images. The 3D reconstruction then consists in testing each voxel in a 3D grid under the following condition: if the projection of the centre of the voxel on the detector plane lies within the silhouette for each view, then the given voxel belongs to the reconstruc


identifier: Saunier, F. (2012). Développement d'une méthode d'analyse du cycle de vie prospective appliquée à la sidérurgie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La sidérurgie est aujourd'hui l'un des plus gros émetteurs de gaz à effet de serre (GES) dans le secteur industriel. L'acier étant un matériau omniprésent dans notre société et en production croissante, des solutions doivent être trouvées pour lutter contre cette pollution et pour se préparer aux futures règlementations dans ce domaine. Ce projet de maitrise s'intéresse à l'évaluation de la performance environnementale de plusieurs technologies de production d'acier, que ce soit les filières traditionnelles ou des filières actuellement en développement. Dans cette optique, la méthode utilisée est l'analyse du cycle de vie (ACV), qui permet dévaluer les impacts potentiels d'un produit sur l'ensemble de son cycle de vie. Néanmoins, la plupart des technologies à l'étude sont en cours de développement et elles ne seront implantées à l'échelle industrielle que dans les années ou décennies à venir. L'influence du temps sur les résultats doit donc indispensablement être prise en considération dans cette analyse. C'est pourquoi une approche particulière de la méthodologie d'ACV est utilisée : l'analyse du cycle de vie prospective (ACV-P).  L'objectif de ce projet est de développer une approche d'analyse du cycle de vie prospective applicable à l'industrie sidérurgique. Pour ce faire, une méthodologie novatrice est proposée en intégrant une méthode permettant de pallier une lacune identifiée dans la littérature : l'influence des changements technologiques sur les données d'inventaire. L'approche proposée utilise des projections de politiques environnementales pour modifier les données d'inventaire. Cette intégration de l'effet de futures règlementations est appliquée aux données d'inventaire grâce à l'utilisation de facteurs de réduction dépendant de l'horizon de temps choisi. Pour tester la méthodologie développée, le cas d'étude du projet ULCOS (Ultra-Low Carbon dioxyde Steelmaking), proposant des filières innovantes de production d'acier, a été choisi et ces différentes étapes lui sont appliquées. Dans un premier temps, une analyse du cycle de vie attributionnelle a été effectuée pour identifier les parties du système concernées par un éventuel développement prospectif. Elle a aussi permis de comparer les impacts potentiels des différentes technologies en se basant sur les données actuelles leur étant associées. Les résultats de cette analyse préliminaire montrent que les nouvelles technologies étudiées ont un plus faible impact sur le changement climatique que la filière traditionnelle par haut fourneau, utilisée comme référence. Pour les autres catégories d'impacts étudiées (à savoir l'acidification, l'eutrophisation, la création d'ozone photochimique et l'utilisation des ressources abiotiques), les conclusions sont plus mitigées. En effet, dans ces catégories, certaines filières présentent parfois des impacts supérieurs à ceux de la filière de référence. Il est donc essentiel de prendre en considération cet aspect avant leur future implémentation afin d'éviter un déplacement d'impacts. Par la suite, les développements prospectifs de cette étude initiale sont effectués. Dans cette étude prospective, deux visions du futur sont comparées : une première « business as usual » et une seconde plus stricte en matière d'émissions de GES. Dans un premier temps, l'analyse porte sur l'évolution temporelle des hypothèses liées à l'électricité et au transport. L'influence de la variation temporelle du mix électrique est en particulier mise en évidence. Dans un second temps, l'impact des futures politiques environnementales sur l'inventaire est développé. Ce facteur a une influence prédominante sur les résultats. Pour synthétiser cette étude, les différents aspects prospectifs sont appliqués simultanément à l'inventaire et les filières de production d'acier sont comparées à l'horizon 2050.  Pour les deux scénarios étudiés, les impacts associés à chaque technologie diminuent avec le temps sur la période considérée (2000-2050). En 2050, selon les filières et les scénarios, les impacts potentiels diminuent par exemple entre 15% et 86% dans la catégorie changement climatique et entre 74% et 89% pour l'acidification, par rapport aux résultats initiaux ne considérant pas ces aspects prospectifs. Les résultats de l'étude sont donc influencés de manière importante par l'approche prospective. Les impacts associés à la sidérurgie européenne dans son ensemble ont aussi été modélisés à partir des résultats calculés pour chaque filière actuelle ou future de production d'acier. Ils montrent qu'une réduction d'un facteur 50% des émissions de GES associées à la production d'acier est possible grâce au développement de nouvelles technologies. Les impacts dans les autres catégories considérées devraient aussi diminuer en parallèle.  Même si ce travail a été mis en place dans le cas particulier de notre étude, la méthodologie proposée est adaptable et généralisable à d'autres analyses. Son application a néanmoins soulevé certaines limites et, par conséquent, plusieurs recommandations ont été formulées pour améliorer la méthode, dont les principales sont les suivantes :  • Affiner les facteurs de réduction avec par exemple une régionalisation des objectifs de réduction;  • Étendre la méthodologie à toutes les substances de l'inventaire et aux données sur les entrants dans les processus; • Paramétrer la méthode dans des bases de données pour faciliter son utilisation et améliorer sa précision.  ABSTRACT: The steel industry is currently one of the most important industrial greenhouse gas (GHG) emitters in the world. Since the demand for steel is continuously increasing due to all potential applications in our everyday lives, we have to find solutions to tackle environmental issues and to get prepared for forthcoming regulations in this field. This master thesis focuses on the assessment of the environmental performance of different existing and developing steel production technologies. In order to reach this purpose, the life cycle assessment (LCA) methodology has been chosen, which allows evaluating the potential impacts of a product through its different life cycle stages. Nevertheless, most of the studied technologies are currently in development and will only be implemented at the industrial scale in years or decades. The influence of time on the results becomes critical in this study and has therefore to be considered. This is why a special declination of the LCA methodology is used: the prospective life cycle assessment approach.  The aim of this master thesis is to develop a prospective life cycle assessment approach for the steel industry. To achieve this goal, an innovative method is developed to integrate the influence of technological changes on inventory data. The proposed approach uses projected environmental policies to predict future emissions. The integration of the effect of future regulations on inventory data is done using time-dependent reduction factors. The applicability of this methodology is tested on a case study specific to the steel industry, the ULCOS (Ultra-Low Carbon dioxyde Steelmaking) programme.     An attributional life cycle assessment is first carried out in order to identify which parts of the system should be involved in a prospective development. This LCA also enables to compare the potential impacts of different technologies using current data. The results of this preliminary assessment indicate that the new technologies studied have a lower potential impact on climate change compared to the traditional blast furnace production chain, used as the reference technology. Regarding other impact categories (namely acidification, eutrophication, photochemical ozone creation potential, and depletion of abiotic resources), conclusions are mixed. Some technologies have indeed higher impacts for some categories compared to the reference technology. This has to be kept in mind before future implementation of these technologies in order to prevent shifting of impacts.   Subsequently, prospective developments of this study are carried out. In this prospective study, two potential perspectives of the future are compared: a “business as usual” scenario and a scenario in which GHG emissions are more strictly regulated. This part of the assessment focuses at first on the future evolution of some assumptions related to electricity sources and transportation. The influence of variations in electricity sources is particularly important. The influence of future environmental policies on inventory data is then developed. It is shown to have a major impact on the results. Finally, the different prospective aspects are simultaneously applied to the case study, and the steel production technologies are compared for the year 2050.  For these two scenarios, impacts associated to each technology decrease with time over the period considered (2000-2050). Depending on both technologies and scenarios, potential impacts decrease for instance in 2050 between 15% and 86% for climate change and between 74% and 89% for acidification, compared to initial results without prospective aspects. Therefore, the results of the study are greatly influenced by the prospective approach. Impacts of the whole European steel industry are also modeled using the results obtained for each current and future steel production technology. These results show that a GHG emission reduction of 50% associated to steel production is possible through the development of new technologies. Impacts in other categories would also decrease. The work presented in this master thesis was carried out for our specific case study. However, the methodology developed is easily adaptable and could be applied and extended to other types of assessment. Nevertheless, its application has highlighted some limits and several recommendations have been addressed in order to improve the approach:  • To refine reduction factors with for instance a regionalisation of reduction objectives; • To extend the methodology to all the substances of the inventory and to process input data; • To implement the methodology into databases in order to facilitate its use and to improve precision.


identifier: Jost, R. (2012). Developing a Run-Time Coupling Between ESP-r and TRNSYS  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: " Dans le cadre de la réduction de l'énergie consommée par les bâtiments, il est essentiel d'être rigoureux dans leur modélisation. Pour ce faire, un grand nombre de logiciels de simulation existe, mais, ces outils sont pour la plupart spécialisés dans un domaine particulier et ne permettent pas toujours de réaliser une analyse complète. Étant donné que tous les domaines (chauffage, climatisation, ventilation, éclairage, acoustique) sont interdépendants, il n'existe pas de plateforme de simulation permettant de couvrir toutes les particularités d'un système avec la même flexibilité, et il est nécessaire de procéder à des combinaisons ou des couplages de logiciels. Ce mémoire décrit la réalisation d'un couplage au niveau de l'exécution entre TRNSYS et ESP-r. Afin de réduire au maximum les modifications apportées aux codes sources et façonner un outil durable face au développement de chacun des deux logiciels dans le futur, le couplage se fait principalement à l'aide de nouveaux composants recevant et envoyant des données à l'autre programme. L'échange de données est réalisé par une structure à DLLs multiples. En plus de celles de TRNSYS et ESP-r, une troisième DLL chargée d'appeler les deux autres et de contrôler l'échange d'information a été créée. Celle-ci supervise également le contrôle de la convergence et assure l'avancement simultané des deux programmes. Cette DLL qui joue le rôle d'intermédiaire entre les deux logiciels (middleware) est appelée l'Harmonizer. Une nouvelle catégorie de composants a été mise en place pour le logiciel TRNSYS. Il s'agit des Types Échangeurs de Données (Data Exchanger Types). Ces composants fonctionnent de manière identique aux Types classiques en communiquant à travers leurs entrées et sorties, mais ils sont également capables de forcer le solveur à poursuivre les itérations d'un pas de temps. Cette fonctionnalité est essentielle afin d'obliger TRNSYS à faire de nouveaux calculs lorsque qu'il y a convergence au niveau interne mais que ce n'est pas le cas pour l'autre logiciel. Un composant de cette nouvelle catégorie, appelé Type 130, a été créé spécialement pour le couplage avec ESP-r. Ce dernier assure la liaison et l'échange de données entre l'Harmonizer d'une part et les composants du système dans TRNSYS de l'autre. Du point de vue de l'utilisateur, il n'y a que peu de changements entre le fait de réaliser un modèle pour une co-simulation et celui pour une simulation n'utilisant qu'un seul logiciel. Les fichiers d'entrée et de sortie sont identiques à ceux d'une simulation standard, et ce pour les deux logiciels. L'unique fichier additionnel à configurer est le fichier d'entrée de l'Harmonizer contenant les paramètres de la co-simulation. Ce mémoire décrit le travail réalisée par l'équipe du projet et les contributions spécifiques de l'auteur sont identifiées dans le texte.  ABSTRACT: Rigorous modeling is essential to design buildings and deliver the next advances in energy efficiency and on-site renewable energy production. A great variety of energy simulation programs exists but they are, for the most part, specialized in one particular domain and they do not allow a complete analysis. Because all domains (heating, cooling, ventilation, lighting, acoustic) are interconnected and there is no global simulation environment existing that covers all of the system particularities with the same flexibility, it is often appropriate to proceed with software combination and/or coupling. This Master thesis describes the implementation of a run-time coupling between TRNSYS and ESP-r. In order to minimize the modifications to the source codes and create a tool able to support future development of each program, new components that receive and pass data to the other program were implemented in the two software programs. A multi DLL structure enables the coupling and exchange of information. A third piece of software, the Harmonizer, launches TRNSYS and ESP-r DLLS and manages the exchange of data. It is also responsible of the convergence handling and controls that both programs march through time together time step after time step. A new category of components, the Data Exchanger Types was implemented in TRNSYS. These components can work as standard TRNSYS Types and exchange data through their inputs and outputs but they can also impose the solver to continue iterating. This capability is essential to force TRNSYS to do more calculations at a specific time step when it has converged but co-simulation convergence requires more iterations. A component of this new category, Type 130, was created specifically for the coupling with ESP-r. Type 130 exchanges data with the Harmonizer on one side and with the TRNSYS network of Types on the other side. Testing of basic data exchange validates the data exchange method and the coupling. The co-simulator is able to simulate a complete system with a building modeled in ESP-r and the energy system in TRNSYS. On the user perspective, there are few changes in implementing a co-simulation model in comparison to a simple simulation model using only one program. Users with some knowledge of both programs will be familiar with the steps required to perform a co-simulation. The input and output files are the same for the two programs as a standard simulation. Settings of the co-simulation are defined in the Harmonizer input. This Master Thesis describes the work of the project team, referred to as the Design Team in the text. Specific contributions from the author are identified in the document.


identifier: Heidari, P. (2012). A Forward On-The-Fly Approach for Safety and Reachability Controller Synthesis of Timed Systems  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: them later. The controller is synthesized through the same algorithm already introduced. In this approach, we suggest to control time Petri nets by associating stopwatches to controllable transitions and to achieve a controlled time Petri nets.  ABSTRACT: ABSTRACT    This thesis deals with controller synthesis for real time systems (timed systems). Given a real time system modeled as a Time Petri Net (TPN) with controllable and uncontrollable transitions, the control aims at forcing the system to satisfy properties of interest, by limiting the firing intervals of controllable transitions. We propose, in this thesis, an algorithm to synthesize such controllers for safety / reachability properties.      This algorithm, based on the state class graph method, computes on-the-fly the reachable state classes of the TPN while collecting progressively firing subintervals to be avoided so that the property is satisfied. It does not need to compute controllable predecessors and then split state classes until reaching a fixpoint, as it is the case for other approaches based  on backward and forward exploration of state space of the system. We prove formally the correctness of the algorithm and show that, in the category of state dependent controllers based on the restriction of firing intervals, the algorithm proposed in this thesis, synthesizes maximally permissive controllers.      In order to attenuate the state explosion problem, we show how to combine efficiently this approach with an abstraction by inclusion, convex union or convex hull. Afterwards, we discuss the compatibility of this method with distributed systems and decentralized controllers.       Finally, we apply this algorithm to control TPN with controllable and uncontrollable transitions by stopwatch. In this approach, we find the subintervals violating the given properties and our objective is to suspend the tasks (transitions) during their bad subintervals and to resume them later. The controller is synthesized through the same algorithm already introduced. In this approach, we suggest to control time Petri nets by associating stopwatches to controllable transitions and to achieve a controlled time Petri nets.


identifier: Ghanbari, A. (2012). Morphology and Properties of Poly(Ethylene Terephthalate)/Clay Nanocomposites  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le polyéthylène téréphtalate (PET), un thermoplastique semi-cristallin, est produit par une réaction de condensation soit du téréphtalate de diméthyle soit de l'acide téréphtalique et de l'éthylène glycol. Le PET est habituellement utilisé dans l'industrie de l'emballage des aliments et boissons. Toutefois le PET ne permet pas d'avoir des propriétés barrières à l'oxygène suffisantes pour l'emballage des breuvages telles que la bière et les boissons gazeuses non alcoolisées qui sont sensibles à l'oxygène ou à la perte de dioxyde de carbone. L'incorporation de silicates en feuillets imperméables à une matrice de PET et la fabrication de nanocomposites à base de PET est une méthode prometteuse en vue de l'amélioration des propriétés barrières du PET. L'objectif de la présente étude est d'améliorer les propriétés barrières du PET avec des silicates en nanocouches. Les nanocomposites à base de PET et d'argile ont été préparés par un mélange à l'état fondu. Par rapport au mélange en solution et la polymérisation in-situ, le mélange à l'état fondu a des avantages environnementaux et économiques car l'utilisation de solvants organiques n'est pas nécessaire. De plus, cette technique entraîne des forces de cisaillement élevées ce qui améliore le niveau d'exfoliation des particules d'argile dans la matrice. Afin de créer un long chemin tortueux et une diffusion ralentie des molécules de gaz à travers le nanocomposite, les particules d'argile doivent être bien dispersées et distribuées dans la matrice. Par conséquent, une attention particulière est apportée à l'amélioration du niveau d'exfoliation des silicates stratifiés dans la matrice de PET. À cet égard deux types différents d'argiles organomodifiées, le Cloisite® 30B (C30B) et le Nanomer® I.28E (N28E), ont été mélangées avec le PET. Des films de nanocomposite à base de PET ont été préparés par extrusion. Un PET ionomère a été utilisé afin d'augmenter la compatibilisation et l'espacement entre les couches des particules d'argile. Il a été observé que mélanger un PET et un PET ionomère entraîne la formation d'un mélange immiscible. Des interactions favorables entre les particules d'argile et le PET ionomère localise les particules d'argile dans les domaines composés du PET ionomère et restreint la distribution des particules. Néanmoins, les études morphologiques et rhéologiques montrent que le PET ionomère agit comme un agent exfoliant et accroit l'espacement des nanofeuillets de vi l'argile N28E. L'incorporation de 2 % en masse de C30B dans la matrice de PET entraîne l'amélioration de 25 % des propriétés barrières à l'oxygène. Les effets des conditions de mise en oeuvre, de la composition de l'argile, et de la concentration des argiles sur les propriétés morphologiques et rhéologiques des nanocomposites de PET et argile ont été examinés dans la seconde partie de cette étude. Différents organo-argiles comme le N28E, C30B, Cloisite 25A (C25A), et Cloisite 15A (C15A) aussi bien qu'un argile non-modifié synthétique Somasif ME100 (SM100) ont été mélangés avec le PET en utilisant une extrudeuse double vis. Les résultats morphologiques et rhéologiques montrent que l'augmentation du temps de résidence et un nombre plus grand d'éléments de cisaillement améliorent la dispersion des argiles et les propriétés viscoélastiques. Alors que le PET seul présente une viscosité non-dépendante de la fréquence, la viscosité complexe des nanocomposites montre un comportement rhéofluidifiant qui devient plus prononcé quand la quantité d'argile augmente. Le module de conservation est presque indépendant de la fréquence aux basses fréquences pour les chargements élevés d'argile, due à la formation d'un réseau interconnecté des particules d'argile. Des propriétés rhéologiques plus élevées ont été observées pour les nanocomposites les plus intercalés/exfoliés. La dégradation de la matrice de PET, due à la présence des organo-argiles, a été quantifiée en utilisant l'équation de Maron-Pierce. Parmi les organo-argiles étudiés dans ce travail, la dégradation la plus importante a eu lieu pour la matrice contenant du C30B. Pour contrôler la dégradation thermique du PET et pour améliorer les propriétés des nanocomposites à base de PET, dans la dernière partie de cette recherche, un agent d'allongement de chaînes multifonctionnel à base de résine d'époxy, le Joncryl ADR-4368F (Joncryl), a été ajouté aux nanocomposites via un lot primaire. L'effet de l'agent d'allongement de chaînes sur les propriétés morphologiques, rhéologiques, mécaniques, thermiques, optiques, et sur les propriétés barrières aux gaz a été examiné sur le nanocomposite contenant 4 % en masse de C30B et de N28E. Grâce aux réactions entre les groupes fonctionnels de l'agent d'allongement de chaînes et les groupes terminaux du PET, les propriétés viscoélastiques des échantillons contenant du Joncryl ont été augmentées. Des contraintes de cisaillement plus élevées, dues à la présence de l'agent, entraînent une exfoliation plus élevée et par conséquent des propriétés mécaniques et barrières plus élevées. Une réduction de 46 % de la perméabilité à l'oxygène a été obtenue pour les films nanocomposites contenant du C30B et du Joncryl en comparaison aux films de PET pur. vii La réduction pour les nanocomposites contenant du N28E et du Joncryl était de 40 %. Les nanocomposites contenant du N28E et du Joncryl contenant du C30B et du Joncryl l'augmentation était légèrement moindre.  ABSTRACT: Polyethylene terephthalate (PET), a semi-crystalline thermoplastic, is produced by condensation reaction of either dimethyl terephthalate or terephthalic acid with ethylene glycol. PET is commonly used in food and beverage packaging industry. However, PET does not offer sufficient oxygen barrier properties in packaging of beverages such as beer and carbonated soft drinks that are sensitive to oxygen and loss of carbon dioxide. Incorporation of impermeable layered silicates into a PET matrix and manufacturing of PET nanocomposites is a promising method to enhance barrier properties of PET. The aim of the present study is to improve barrier properties of PET with silicate nanolayers. PET clay nanocomposites were prepared via a melt blending approach. In comparison to solution blending and in-situ polymerization, melt blending has environmental and cost advantageous because there is no need for organic solvents. Besides, this technique provides high shear forces that improve the exfoliation level of clay particles in the matrix. To create a long tortuous pathway and slow down the diffusion of gas molecules through the nanocomposite, clay particles must be well dispersed and distributed in the matrix. Hence, a particular attention is paid to the improvement of exfoliation level of silicate layers in the PET matrix. In this regard two different types of organomodified clay, Cloisite® 30B (C30B) and Nanomer® I.28E (N28E), were melt blended with PET. PET-based nanocomposite films were prepared using cast film extrusion. A PET-ionomer was employed to compatibilize and increase the interlayer spacing of the clay particles. It was observed that mixing of PET and PET-ionomer results in an immiscible blend. Favorable interactions between the clay particles and the PET-ionomer localize the clay particles into the PET-ionomer domains and restrict the distribution of the particles. Nevertheless, morphological and rheological studies show that PET-ionomer acts as an exfoliation agent and increases the gallery spacing of N28E nanolayers. Incorporating 2 wt% C30B into PET matrix led to 25% enhancement in oxygen barrier properties. The effects of processing conditions, clay chemistry, and concentration on the morphological and rheological properties of PET clay nanocomposites were investigated in the second part of this study. Various organoclays such as N28E, C30B, Cloisite® 25A (C25A), and Cloisite® 15A (C15A) as well as unmodified synthetic clay Somasif® ME100 (SM100) were melt blended with PET using a twin-screw extruder. Morphological and rheological results show that a longer ix residence time and more shearing elements improve the dispersion of clay tactoids and enhance the viscoelastic properties. While the neat PET exhibits a frequency independent viscosity, the complex viscosity of the nanocomposites shows a shear-thinning behavior, which becomes stronger with clay loading. The storage modulus was nearly independent of frequency at low frequencies and high clay loadings, due to the formation of an interconnected network of clay particles. Larger rheological properties were observed for the most intercalated/exfoliated nanocomposites. The PET matrix degradation, due to the presence of the organoclays, was estimated using the Maron-Pierce equation. The highest degradation occurred for the matrix containing C30B among the organoclays studied in this work. To control the thermal degradation of PET and improve the overall properties of PET nanocomposites, in the last phase of this research a multifunctional epoxy-based chain extender, Joncryl® ADR-4368F (Joncryl), was added to the nanocomposites via a master-batch approach. The effect of the chain extender on the morphological, rheological, mechanical, thermal, optical, and gas barrier characteristics of the nanocomposites containing 4 wt% C30B and N28E was examined. The viscoelastic properties of the samples containing Joncryl increased due to the reaction between functional groups of the chain extender and PET end groups. Higher shear stress induced by the presence of the chain extender resulted in higher exfoliation level and consequently better mechanical and barrier properties. A 46% reduction in oxygen permeability was obtained for the PET nanocomposites containing C30B and Joncryl, in comparison to the neat PET films. The corresponding reduction for the nanocomposites containing N28E and Joncryl was 40%. Nanocomposites containing N28E and Joncryl exhibited a 66% improvement in tensile modulus, whereas the corresponding improvement for the nanocomposites containing C30B and Joncryl was slightly less.


identifier: Rancourt-Ouimet, M. (2012). Performances d'un champ de puits géothermiques verticaux peu profonds en boucle fermée  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire présente une étude de la performance d'un champ de puits géothermiques de faible profondeur intégrés à une installation en climat naturel simulant un bâtiment à basse consommation énergétique et localisée au Centre de Recherche d'Électricité de France à Moretsur- Loing. Cette étude comporte deux volets, soit la conception d'un site expérimental instrumenté permettant de collecter des données sur une saison de chauffage ainsi qu'un volet de modélisation afin d'utiliser les résultats expérimentaux pour valider un modèle de puits géothermique basé sur la méthode de la ligne source finie et développé dans l'environnement de simulation TRNSYS. Le site expérimental est formé de 16 puits de 9 mètres de profondeur dont la tête est enfouie à 1 mètre de profondeur et positionnés en configuration carrée. La méthode de construction ainsi que les problèmes rencontrés lors de cette étape sont présentés dans cette étude. Un test de réponse thermique est réalisé afin de déterminer les propriétés du sol. Ce test se distingue de l'approche classique, car il est effectué sur des puits de faible profondeur et, contrairement à l'approche conventionnelle d'injection de chaleur, il est réalisé en mode froid en utilisant la pompe à chaleur de l'installation. En appliquant la méthode graphique présentée dans les travaux de Gehlin (1998), une conductivité thermique du sol de 2,52 W/mK et une résistance thermique équivalente du puits de 0,198 mK/W sont obtenues. Le modèle de puits géothermique développé dans le cadre de cette étude, le TYPE273, est basé sur le TYPE272 développé par Simon Chapuis (2009). Le TYPE273 permet de lire en entrée la température moyenne sur la hauteur du puits. Deux cas de validation sont utilisés et les résultats montrent que les TYPE272 et TYPE273 peuvent être utilisés avec confiance. Finalement, les résultats expérimentaux sont comparés aux données générées par le TYPE273. Comme ce modèle peut simuler deux réseaux de puits indépendants, les branches 3 et 4 sont modélisées étant donné qu'elles présentent moins de problèmes liés à leur construction. Pour ce faire, les valeurs expérimentales du débit de circulation, de la température d'entrée du fluide dans chacune des rangées de puits ainsi que la température non perturbée sur la hauteur d'un puits sont imposées au modèle à chaque pas de temps horaire. Les températures du fluide à la sortie de chacune des deux rangées calculées par le modèle sont ensuite comparées aux températures expérimentales correspondantes.  ABSTRACT: This thesis presents an experimental installation of short boreholes integrated to a natural climate installation, simulating a low energy consumption building located at Électricité de France Research Center in Moret-sur-Loing. This study is divided into two parts: the design and construction of an experimental instrumented site where data is collected over one heating season, and a second part where a model, based on the finite line source method, is developed in TRNSYS simulation's environment. The experimental site has 16 boreholes of 9 meters for which the head is buried 1 meter under ground's surface and are positioned in a square configuration. The construction methods as well as problems faced during this phase are presented in this study. A thermal response test is performed in order to determine the soil properties. This test differs from the classic approach since it is realized on short boreholes in cold mode using the heat pump available on-site instead of the traditional heat injection method. By applying Gehlin's graphic method (1998), a soil thermal conductivity of 2,52 W/mK and an equivalent thermal resistance of 0,198 mK/W are found. The geothermal borehole model developed in this study, TYPE273, is based on Simon Chapuis' model (2009), the TYPE272. TYPE273 also allows reading the average ground temperature on the borehole's length as an input, which is an important consideration for short boreholes. Two validation tests are realized for each of the two models (TYPE272 and TYPE273) and results show that these models can be used with confidence. Finally, experimental data is compared to data generated by TYPE273. This model can simulate two independent networks. Therefore, branches 3 and 4 are modeled since they present less construction problems. To model this experimentation, the mass flow rate, the temperatures at the inlet of rows, as well as the average ground temperature on the borehole's length are imposed as input to TYPE273 at every hourly time step. It is then possible to compare the calculated outlet temperatures at each row to the experimental data. It should be noted that the heat transfer taking place in the horizontal pipes linking the vertical boreholes is integrated to the model. The simulation's results do not represent experimental data all that well. Short boreholes are influenced by an important number of parameters such as ground temperature in the first meters below the ground surface and by a long residence time of the fluid (about 8 minutes) in the branches of the circuit. Further simulation efforts are thus required to model short boreholes correctly.


identifier: Sainte-Beuve, D. (2012). Évaluation de différentes stratégies de démantèlement de la carcasse d'un avion  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: À l'époque où la gestion durable de notre environnement et de notre société est une considération grandissante, la question de la fin de vie des avions se pose. Avec le durcissement des réglementations et les politiques de réduction de coûts d'exploitation, les avions sont de plus en plus souvent retirés du service avant leur fin de vie opérationnelle. Cependant, les réglementations n'affectent pas seulement la durée de vie opérationnelle des avions. Dans le futur, il y a de grandes chances pour que la fin de vie des avions soit tout aussi réglementée que la fin de vie des voitures. De nos jours certains déserts servent de tombeau pour les carcasses d'avions, mais qu'en sera-t-il dans quelques années? Le recyclage des carcasses d'avions n'est pas une opération à très haute valeur ajoutée, comme la revente des pièces d'occasions, cependant un tri intelligent et en regard du marché peut permettre d'augmenter la plus value. A l'échelle du cycle de vie de l'avion, recycler ses matériaux permet de réduire l'impact global de celui-ci, et permet aussi de réduire la pollution et l'occupation des sols, même si les principaux impacts générés par les avions sont créés pendant la phase d'utilisation de celui-ci. De même, si la recyclabilité des aéronefs est étudiée à la source, c'est-à-dire lors de sa conception, cela permettra de réduire l'utilisation de matériaux non-recyclables et dangereux. La plus grande difficulté du recyclage des carcasses d'avions est due à l'utilisation de matériaux qui sont mélangés et attachés les uns aux autres. Grâce à une étude thermodynamique nous avons montré quelles concentrations d'éléments alliés dans un bain de fusion pouvaient être réduites. En faisant appel à l'énergie libre de Gibbs, nous avons évalué une partie des réactions se déroulant dans un bain de fusion d'aluminium lors de l'injection de dioxygène, de bore, et de chlore. Nous nous sommes focalisés sur les réactions formant des composés bi-éléments, comme l'oxyde de lithium ou le chlorure de magnésium. Nous avons pu montrer que les 6 éléments réagissant lors de ces réactions sont le lithium, le magnésium, le nickel, le titane, le vanadium et le zirconium. Il est nécessaire de rappeler que les taux d'impureté pour les alliages utilisés dans l'aéronautique sont faibles, notamment ceux du fer et du silicium. Le problème majeur du recyclage des alliages d'aluminium vient du fait que certains attachements sont en aciers, et ne sont pas séparés des aluminiums. Lors de la fonte, le fer se lie très facilement avec l'aluminium et le retirer est coûteux et compliqué. La séparation de ces pièces perturbatrices peux être réalisée avant le broyage des pièces ou après. Les filières de tri actuelles permettent déjà, à une certaine échelle, d'effectuer un tel type de tri.  ABSTRACT: At the time when sustainable development of our environment and our society become more and more considered, the issue of the end of life of aircraft arises. With the tightening of regulations and policies to reduce operating costs, aircraft are increasingly removed from service before the end of their operational life. However, the regulations do not only affect the operational life of the aircraft. In the future, there are great chances that the aircraft end of life will be also regulated as the car end of life. Nowadays some deserts serve as a tomb for airplanes skeletons, but what will happen in a few years? Recycling the skeleton is not an operation with very high added value, such as reselling used parts, however intelligent sorting and facing the market can increase the gain. At the level of the aircraft life cycle, recycling its materials reduces its overall impact, and also helps to reduce pollution and land use, even if the main impacts generated by planes are created during the use phase. Similarly, if the recyclability of the aircraft is studied at the source, that is to say in its design, this will help to reduce the use of nonrecyclable materials and dangerous compound. The greatest difficulty for recycling aircraft skeletons is that different materials are mixed and attached to each other. Through a thermodynamic study we showed what concentrations of alloying elements in a molten bath could be reduced. By using the Gibbs free energy, we evaluated some of the reactions taking place in a molten bath of aluminum during the injection of oxygen, boron, and chlorine. We focused on the reactions forming dual elements compounds, such as lithium oxide or magnesium chloride. We have shown that the six elements able to react when these reactions occurs are the lithium, the magnesium, the nickel, the titanium, the vanadium and the zirconium. It is necessary to remember that the impurities for alloys used in the aerospace industry are lower and especially those of iron and silicon. The major problem of recycling of aluminum alloys is that some attachments are made from steels, and are not separated from aluminum. Iron binds too easily with aluminum and removing it is expensive and complicated. The separation of these disturbing parts can be performed before or after shredding parts. Present sorting pathways already permit at a certain scale, to make this type of sorting. Adding some type of sorting, such as the LIBS or the use of dry ice blasting can help to increase the purity of the alloys obtained. On the other hand, the number of different aircraft being relatively small, it is possible to develop specific methods to recycle specific aircraft and this according to the technologies available at the end of life of the aircraft. In this context we have studied the wing of a Canadair Regional Jet 200.


identifier: Peregoedova, A. (2012). Étude expérimentale des propriétés hydrogéologiques des roches stériles à une échelle intermédiaire de laboratoire  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les grandes quantités de stériles miniers générées annuellement par l'industrie minière représentent des risques pour l'environnement. Le stockage des roches stériles dans les haldes peut conduire à de graves problèmes causés par le drainage minier acide (DMA) ou le drainage neutre contaminé (DNC). Par conséquent, des études systématiques sur les stériles miniers sont nécessaires afin d'élaborer des méthodes de stockage écologiques et sécuritaires. Le projet de recherche présenté dans ce mémoire avait pour objectif d'étudier les principales caractéristiques hydrogéologiques de stériles miniers à partir d'une approche expérimentale à l'échelle intermédiaire en laboratoire. Le but spécifique du projet était la détermination de la conductivité hydraulique saturée des échantillons de roches stériles et de leur courbe de rétention d'eau. On a aussi évalué l'effet du déplacement des particules fines, lors de l'écoulement de l'eau, sur les propriétés hydriques des stériles. Les essais ont été réalisés sur les échantillons prélevés sur une des haldes à stériles de la mine Lac Tio (RTFT, Havre-Saint-Pierre, Québec). Selon le système unifié (ou ASTM) de classification des sols, les échantillons testés (diamètre ≤ 50 mm) correspondent à un sable bien gradué (SW), avec diverses proportions de particules fines, de gravier et de cailloux. Les propriétés hydrogéologiques de ces stériles ont été déterminées à l'aide d'essais de perméabilité, de traceur, d'infiltration et de rétention d'eau dans des grandes colonnes instrumentées. Ces essais ont été menés sur des échantillons (spécimens) dont la granulométrie a été tronquée à des dimensions présélectionnées (de 5 à 50 mm). Les résultats des essais en colonne ont montré que la conductivité hydraulique saturée des stériles, mesurée en laboratoire à échelle intermédiaire, est peu influencée par la présence de différents pourcentages de graviers et de cailloux. La valeur de ksat des stériles varie autour de 10-1 cm/s pour les diverses fractions granulométriques testées. Les valeurs obtenues expérimentalement ont aussi montré qu'à l'échelle du laboratoire, la conductivité hydraulique saturée des stériles n'est pas influencée significativement par la migration des particules, qui se produit surtout pour des gradients hydrauliques élevés (i ≥ 2-3).  ABSTRACT: The mining industry produces large quantities of waste rock which are usually stored in piles on the surface. Waste rocks often contain reactive minerals that may give rise to a contaminated effluent. It is essential to define the hydrogeological properties of these wastes to assess the environmental risks associated with surface disposal. The main purpose of this project was to assess the hydrogeological properties of waste rocks by means of intermediate scale laboratory tests. More specifically, the project aimed to determine the saturated hydraulic conductivity (ksat) and the water retention curve (WRC) of waste rock samples. The effect of fine particles displacement that may occur when water percolates through widely graded materials was also evaluated. The tests were conducted on samples taken from one of the waste rock piles at the Lac Tio mine (RTFT, Havre-Saint-Pierre, Quebec). The samples (diameter ≤ 50 mm) correspond to widely graded sand with diverse proportions of fine particles, gravel and pebbles. The hydrogeological properties of the waste rocks were determined by means of permeability, tracer, infiltration and drainage tests in large instrumented columns. The tests were conducted on samples having a particle size that was truncated to the preselected maximum sizes (from 5 to 50 mm). The results of the tests showed that the saturated hydraulic conductivity ksat of the waste rocks, measured in the laboratory, is not significantly influenced by the presence of various percentages of gravels and pebbles. The value of ksat varies around 10-1 cm/s for the samples with different particle size distributions. At the laboratory scale, the experimental values of ksat is not significantly influenced by the movement of fine particles, which often occurs at high hydraulic gradients (i = 2-3). The comparison of the test results with ksat values obtained from predictive models showed significant differences; the measured values are much larger than the latter. The saturated hydraulic conductivity of waste rocks seems to be controlled by a system of interconnected macropores, which act as preferential water flow paths. The presence of such preferential paths in the waste rocks was partially confirmed by the results of tracer and infiltration tests. Alternative models are proposed to predict the value of ksat for these waste rocks.


identifier: Autixier, L. (2012). Gestion des eaux pluviales et mise en place de cellules de bio-rétention : étude de cas pour un secteur urbain du Québec  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif de ce projet est de mettre en place un modèle hydrologique permettant d'estimer les impacts de pratiques de gestion des eaux de ruissellement sur les déversements de réseaux unitaires d'un bassin versant urbain québécois. Le secteur étudié a une superficie de 341 ha, est majoritairement résidentiel (plus de 75%) et compte 21 000 habitants. Il a été subdivisé en 121 sous-bassins (de superficie moyenne de 2,8 ha). Le réseau pseudo-séparatif et unitaire a été modélisé par 199 noeuds et 216 conduites. Une campagne d'échantillonnage a eu lieu d'octobre 2009 à juillet 2010 dans le cadre d'un doctorat effectué par une autre étudiante. Sept (7) évènements ont été échantillonnés en dehors de la fonte des neiges. Le débit des surverses, les concentrations en coliformes (coliformes totaux et Escherichia coli (E. coli)), en pharmaceutiques et certains paramètres physico-chimiques comme les matières en suspension (MES) ont été mesurés. Sept (7) évènements ont été échantillonnés pour les mesures de débit et parmi ces sept (7) évènements, six (6) l'ont été aussi pour les E. coli et les MES. Six (6) des sept (7) évènements pluvieux associés aux évènements échantillonnés ont des périodes de retour inférieures à deux (2) ans. Le septième évènement a une période de retour de 6,5 ans. Les intensités moyennes de ces sept (7) évènements sont comprises entre 1,2 mm/h et 2,3 mm/h, les précipitations totales sont comprises entre 3,4 mm et 39,8 mm et les périodes de temps sec antérieur sont comprises entre 1,5 et 22 jours. Le calage a été réalisé en deux (2) temps. D'abord, les débits ont été calés puis les concentrations en MES et E. coli. Pour le calage du débit, les paramètres suivants ont été ajustés : le paramètre width (paramètre représentant la largeur de drainage dans le modèle utilisé : SWMM), le coefficient de Manning des conduites, des surfaces imperméables, la rétention de surface, le taux d'infiltration maximale, le taux d'infiltration minimale et la constante de décroissance de l'infiltration. Cinq (5) événements pluvieux ont été considérés pour le calage du débit. Un balayage systématique de l'espace paramétrique a permis d'identifier un jeu de paramètres qui minimise la somme des écarts entre débits simulés et mesurés. Pour les E. coli, l'apport provenant des eaux sanitaires et des eaux de ruissellement a été pris en compte dans le modèle. La variation évènementielle des E. coli dans les eaux sanitaires a également été considérée. Plusieurs ratios ont été testés pour les variations horaires des E. coli par temps sec. Pour le calage des MES, l'apport par la pluie, le ruissellement des eaux pluviales et l'apport par les eaux sanitaires ont été modélisé.  ABSTRACT: The aim of this project was to apply a hydrologic model to evaluate the implementation of best management practices on combined sewer overflow volumes and loads for the combined sewer system of an urban area in the province of Québec. The predominantly residential (more than 75% of the land use) study area has an overall area of 341 ha and a population of 21 000 inhabitants. The area was subdivided in 121 subcatchments (mean area of 2,8 ha). 199 nodes and 216 pipes were modelled to represent the sewer system which is both combined and pseudo-separated. The model was calibrated with field data from a monitoring program that occurred between October 2009 and July 2010. Seven (7) events were monitored outside the snow-melt season. The flow for combined sewer overflows, the coliform concentrations (total coliforms and Escherichia coli (E. coli)), pharmaceuticals and some physico-chemical parameters such as total suspended solids (TSS) were measured. The flow data are available for seven (7) events and among these seven (7) events, six (6) were also monitored for E. coli and TSS. Six (6) events out of the seven (7) monitored have rainfall associated with a return period less than two (2) years. The seventh event has a return period of 6.5 years. The mean intensities for these 7 events are between 1.2 mm/h and 2.3 mm/h. The total precipitation for the events varied from 3.4 mm to 39.8 mm and the antecedent dry periods ranged from 1.5 to 22 days. First the hydraulic model was calibrated with measured flow values, then once the hydraulic model was calibrated, the water quality model was calibrated for TSS and E. coli concentrations. To calibrate the flow, the following parameters were adjusted: Width (representing the drainage width in the model used: SWMM), minimum and maximum infiltration rates, infiltration rate decay constant, depression storage on the impervious area, Manning's coefficient for the impervious surface and for the pipes. Five (5) events were taken into consideration for the calibration. The best combination of the values for the different parameters was evaluated trough the methods of least squares to have the best fit between simulated and measured hydrographs. A random testing of the full parameter space allowed for the identification of a set of parameters that minimized the error between the simulated and observed flowrates. For the E. coli, the sewage and stormwater concentrations were modeled. The seasonal variations were also taken into account and different hourly ratios were tested for sewage.


identifier: Bhattacharya, N. (2012). Test Data Generation for Exposing Interference Bugs in Multi-Threaded Systems  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Tester les systèmes multi-thread est difficile en raison du comportement non-déterministe de l'environnement (ordonnanceurs, cache, interruptions) dans lequel ils s'exécutent. Comme ils ne peuvent contrôler l'environnement, les testeurs doivent recourir à des moyens indirects pour augmenter le nombre d'ordonnancements testés. Une autre source de non-déterminisme pour les systèmes multi-thread est l'accès à la mémoire partagée. Lors de leur exécution, les systèmes multi-thread peuvent générer des conditions de courses aux données ou d'interférence dues aux données partagées. La génération de jeux de test en utilisant des techniques basées sur les recherches locales a déjà fourni des solutions aux problèmes des tests de systèmes mono et multi-thread. Mais il n'y a pas encore eu de travaux abordant la question des bugs d'interférence dans les systèmes multi-thread en utilisant les recherches locales. Dans cette thèse, nous étudions la possibilité d'utiliser ces approches afin de maximiser la possibilité d'exposer des bugs d'interférence dans les systèmes multi-thread. Nous formulons notre hypothèse de recherche comme suit : les techniques basées sur les recherches locales peuvent être utilisées efficacement pour générer des jeux de test pour maximiser les conditions d'obtention de bugs d'interférence dans les systèmes multi-thread. Après étude de la littérature, nous avons découvert trois défis majeurs concernant l'utilisation des approches basées sur les recherches locales : C1 : Formuler le problème initial comme un problème de recherche locale, C2 : Développer une fonction de coût adaptée, et C3 : Trouver la meilleure recherche locale (la plus adaptée). Nous procédons d'abord à une étude préliminaire sur la façon dont ces défis peuvent être relevés dans les systèmes mono-thread. Nous pensons que nos résultats pourraient être ensuite applicables aux systèmes multi-thread. Pour notre première étude, nous abordons le problème de la génération des jeux de test pour lever des exceptions de type division par zéro dans un système mono-thread en utilisant des approches basées sur les recherches locales, tout en tenant compte de C1, C2 et C3. Nous constatons que les trois défis sont importants et peuvent être traitées, et que les approches basées sur les recherches locales sont nettement plus efficaces qu'une approche aléatoire lorsque le nombre de paramètres d'entrées croît. Nous traitons ensuite notre principal problème de génération de jeux de test afin de révéler des bugs d'interférence dans les systèmes multi-thread en utilisant des approches basées sur les recherches locales, tout en répondant aux trois mêmes défis. Nous avons constaté que même dans les systèmes multi-thread, il est important de traiter les trois défis et que les approches basées sur les recherches locales surpassent une approche aléatoire lorsque le nombre de paramètres d'entrée devient grand. Nous validons ainsi notre thèse. Cependant, d'autres études sont nécessaires afin de généraliser nos résultats.  ABSTRACT: Testing multi-threaded systems is difficult due to the non-deterministic behaviour of the environment (schedulers, cache, interrupts) in which the multi-threaded system runs. As one cannot control the environment, testers must resort to indirect means to increase the number of schedules tested. Another source of non-determinism in multi-threaded systems is the shared memory access. When executed, multi-threaded systems can experience one of many possible interleavings of memory accesses to shared data, resulting in data race or interference conditions being raised. Test data generation using search-based techniques has provided solutions to the problem of testing single and multi-threaded systems over the years. But to the best of our knowledge, there has been no work addressing the issue of interference bugs in multi-threaded systems using search-based approaches. In this thesis, we perform a feasibility study of using search-based approaches to maximize the possibility of exposing interference bug pattern in multi-threaded systems. We frame our thesis hypothesis as: Search-based techniques can be used effectively to generate test data to expose interference condition in multi-threaded systems. From the related work we found out three major challenges of using search-based approaches: C1: Formulating the original problem as a search problem, C2: Developing the right fitness function for the problem formulation, and C3: Finding the right (scalable) search-based approach using scalability analysis. Before studying multi-threaded systems, we perform a preliminary study on how these challenges can be addressed in single-threaded systems, as we feel that our findings might be applicable to the more complex multi-threaded systems. In our first study, we address the problem of generating test data for raising divide-by-zero exception in single-threaded systems using search-based approaches, while addressing C1, C2, and C3. We find that the three challenges are important and can be addressed. Further, we found that search-based approaches scale significantly better than random when the input search space grows from very small to huge. Based on the knowledge obtained from the study, we address our main problem of generating test data to expose interference bugs in multi-threaded systems using search-based approaches, while addressing the same challenges C1, C2, and C3. We found that even in multi-threaded systems, it is important to address the three challenges and that search-based approaches outperforms random when the input search-space becomes large. Thus we confirm our thesis. However, further studies are necessary to generalize.


identifier: Poulin, A. (2012). Réseaux de Bragg verticaux accordables en silicium pour le développement de microsystèmes optiques appliqués  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire porte sur la conception de réseaux de Bragg verticaux accordables en silicium pour le développement de microsystèmes optiques. Les travaux de recherche présentés ont été effectués dans le cadre de deux projets menés par le Laboratoire de Microphotonique en collaboration respectivement avec l'Office Fédérale de Métrologie (METAS) suisse et le Laboratoire d'Optique Diagnostique et d'Imagerie (LODI). L'objectif de ces collaborations est de concevoir des microsystèmes optiques appliqués, c'est-à-dire répondant à des besoins et des problématiques précises, à partir de l'expertise du Laboratoire de Microphotonique dans le domaine des réseaux de Bragg verticaux en silicium. La collaboration avec le METAS a pour objectif d'étudier le potentiel des réseaux de Bragg verticaux accordables en silicium dans le développement de microbalances de haute précision. Plus précisément, des masses situées entre 10 mg et 10 g sont ciblées. La dimension d'un tel échantillon peut facilement atteindre l'ordre du cm3 ce qui s'avère généralement problématique pour les microsystèmes. La microbalance optique proposée est basée sur une cavité Fabry-Pérot accordable. Lorsqu'une force externe est appliquée sur le dispositif, la longueur de la cavité est modifiée et il en résulte un décalage spectral au niveau de sa résonance optique. La force appliquée peut être déterminée à partir de l'amplitude du décalage spectral observé. La microbalance a été fabriquée et caractérisée avec succès. Des sensibilités expérimentales allant de 0.51 nm/mN à 67.69 nm/mN et des résolutions absolues allant de 0.15 μN à 19.61 μN sont rapportées. La résolution relative maximale du senseur est inférieure à 100 ppm. La microbalance optique présentée est basée sur un design dans le plan. Ce type de design simplifie le procédé de fabrication et facilite l'alignement optique. L'épaisseur du substrat limite cependant la taille de la zone de charge. Afin de s'affranchir de cette limitation, un système permettant de transférer dans le plan une force ou un déplacement hors-plan a été développé. Ce système de translation est basé sur un condensateur formée par deux peignes inter-digités possédant chacun un seul degré de liberté, l'un hors-plan et l'autre dans le plan. Tout déplacement vertical au niveau du premier peigne induit un déplacement horizontal proportionnel au niveau du second peigne. Comme preuve de concept, le système de translation a été implémenté dans le design d'une seconde génération de microbalances. Des dispositifs possédant une zone de charge de 1 mm2 ont été fabriqués et caractérisés avec succès. Les résultats  ABSTRACT: s This master thesis presents the development of applied optical microsystems based on tunable vertical silicon Bragg gratings. This work was realized within the frame of two collaborations initiated by the Microphotonics Laboratory respectively with the Federal Office of Metrology (METAS) and the Laboratory of Optical Diagnosis and Imagery (LODI). The main objective of these collaborations is to use the expertise of the Microphotonics Laboratory in tunable vertical silicon Bragg gratings in order to develop optical microsystems which address specific needs and technical issues. The objective of the collaboration with the METAS is to study the potential of tunable vertical silicon Bragg gratings in the development of high precision microbalances for macro samples. More precisely, masses ranging from 10 mg to 10 g are targeted. The dimension of such samples can easily go up to a few cm3. The optical microbalance we propose is based on a tunable Fabry-Perot cavity. When an external force is applied on the device, the length of the cavity is modified which results in a spectral shift of its optical resonance. The applied force can then be determined from the amplitude of the spectral shift observed. The microbalance was successfully fabricated and characterized. Sensibilities ranging from 0.51 nm/mN to 67.69 nm/mN and absolute resolutions ranging from 0.15 μN to 19.61 μN are reported. The maximum relative resolution of the sensor is below 100 ppm. The optical microbalance we developed is based on an in-plane design. This type of design simplifies the fabrication process and eases the optical alignment. However, the thickness of the substrate limits the area of the load patch. In order to free oneself of this limitation, a vertical to horizontal motion translation system was developed. This translation system is based on a capacitor formed by two interdigitated combs exhibiting perpendicular degrees of freedom. The out-of-plane displacement of the first comb induces a proportional in-plane displacement of the second comb. As a proof of concept, the translations system is implemented in the design of a second generation of optical microbalances. Devices exhibiting a 1 mm2 load patch were successfully fabricated and characterized. The experimental results validate the working principle of the translation system. A vertical 1.7 μm motion was transferred into a 0.26 μm  horizontal displacement.


identifier: Robitaille, A. (2012). Mécanismes d'ablation du silicium par laser ultrarapide amplifié par des nanostructures plasmoniques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'interaction entre une impulsion laser femtoseconde et des nanostructures d'or déposées sur une surface de silicium produit une importante amplification du champ électrique qui peut entraîner l'ablation de structures de tailles inférieures à la limite de diffraction. Cette amplification dans le champ proche de la nanostructure a été étudiée en détail dans la littérature scientifique. Cependant, bien que ce soit le phénomène principal menant à cette nanoablation, les processus de diffusion et de déposition de l'énergie dans le matériau ne peuvent être négligés pour interpréter les résultats expérimentaux. Dans ce mémoire, nous étudions l'ablation du silicium par laser ultrarapide amplifié par des nanoparticules et des nanobâtons d'or. Des trous de tailles de l'ordre de quelques dizaines à quelques centaines de nanomètres sont produits. Des analyses par microscopie électronique et à force atomique de ces structures sont effectuées et la profondeur des trous en fonction de la fluence employée est mesurée. Plus particulièrement pour les nanobâtons, la forme des trous ne correspond pas au profil d'amplification du champ électrique calculé. En effet, le profil d'amplification nous laisserait croire que chaque nanobâton produirait deux trous à ses extrémités, ce qui n'est pas mesuré. Nous montrons que, en utilisant un modèle basé sur la résolution numérique d'un système d'équations différentielles décrivant l'excitation et la diffusion des paires électron-trou, la forme particulière ainsi que la profondeur des trous peuvent être prédites. L'importance des processus de diffusion provient de la nature hautement localisée de l'excitation lumineuse, comparativement à ce qui est le cas pour l'ablation conventionnelle. La forme des trous est alors une signature directe de la distribution de l'énergie dans le matériau, contrôlée plus spécifiquement par l'écrantage de l'interaction électron-phonon par la haute densité de charges excitées dans la bande de conduction du silicium.  ABSTRACT: Ultrafast laser interaction with gold nanostructures deposited onto a silicon surface produces considerable field amplification that can result in the ablation of features with dimensions smaller than the diffraction limit. This field amplification in the near field of the nanostructures has been thoroughly investigated in the literature. However, while this is the main phenomenon that permits this nanoablation, energy deposition and diffusion processes cannot be neglected to interpret experimental results. In this work, we study plasmon-enhanced femtosecond laser ablation of silicon using gold nanorods and gold nanospheres to produce sub-diffraction limit holes. Atomic force microscopy and scanning electron microscopy of such features are done and hole depth as a function of fluence is measured. Especially for gold nanorods, hole shape is inconsistent with calculated field distribution. Field distribution alone would let us believe that each nanorod would produce two holes at its both ends. We show that using a model based on a differential equations system describing carriers excitation and diffusion, both shape and depth of the nanoholes can be predicted. Importance of the diffusion process is shown to arise from the extreme localization of the deposited energy around the nanostructure, compared to what is usually the case for conventional ablation of a surface. The characteristic shape of holes is revealed as a striking signature of the energy distribution through the electron-phonon carrier density dependant interaction.