identifier: Marcotte, P. (2020). Performance Evaluation of Pilot Scale Ozonation System for Nitrogen-Based Contaminants Removal in Mine Impacted Water  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La présence de contaminants azotés est commune dans les effluents miniers, leurs principales sources étant l'utilisation d'explosifs pour fracturer le socle rocheux et l'utilisation du cyanure pour l'extraction de l'or et de l'argent. En raison de leur potentiel de toxicité aiguë à faible concentration, les cyanures et dérivés des cyanures (thiocyanates, cyanates), l'azote ammoniacal et les nitrites sont les principaux contaminants azotés d'intérêt présents dans les eaux minières contaminées. Les technologies conventionnelles pour traiter ces contaminants présentent plusieurs inconvénients, notamment lorsqu'il est question d'applications en eau froide. Ce contexte nécessite le développement de technologies émergentes. Parmi ces technologies, l'efficacité de l'ozone pour oxyder ces contaminants azotés a déjà été démontrée en laboratoire. Afin de faire progresser les connaissances à ce sujet, une évaluation des performances de cette technologie à l'échelle pilote a été entreprise. Les essais ont été divisés en deux phases: des essais paramétriques pour optimiser les conditions opératoires et des essais de longue durée pour évaluer la robustesse du procédé. La première phase du projet a été réalisée sur le surnageant du parc à résidus d'une mine d'or qui contenait 1,8 ± 0,3 mg SCN-N/L, 14,0 ± 1,2 mg CNO-N/ L et 34,9 ± 2,3 mg NH3-N/L. Les essais de longue durée ont, quant à eux, été réalisés sur le surnageant du parc à résidus ainsi que sur l'eau provenant des opérations de maintien à sec des opérations souterraines de cette même mine. Cette eau contenait 40,1 mg NH3-N/L, et des concentrations en thiocyanate, cyanate et cyanures totaux sous leur seuil de détection. L'efficacité d'enlèvement du NH3-N durant les essais paramétriques du projet n'a pas montré de différence importante entre l'utilisation d'un tube Venturi ou d'une pompe à microbulles pour injecter l'ozone dans l'eau à traiter. L'utilisation de bromure, de peroxyde d'hydrogène, de charbon actif et dioxyde de titane comme catalyseur n'a pas non plus produit de différence notable lors des essais comparatifs avec et sans catalyseur. Ces essais ont également confirmé qu'un pH de 9,5 et plus est nécessaire pour oxyder avec succès le NH3-N avec de l'ozone. Quatre essais de longue durée ont ensuite été réalisés. Les meilleurs taux d'enlèvement ont été obtenus en ajoutant 2 330 mg O3/L dans le surnageant du parc à résidus, soit : 99 % pour le SCN-, 64 % pour le CNO- et 80 % pour le NH3-N. Cependant, la quantité d'ozone utilisée lors de cet essai fut jusqu'à quatre fois supérieure aux valeurs stoechiométriques. Des pertes d'ozone dans l'atmosphère et des erreurs de mesure du débit d'ozone lors de l'injection pourraient expliquer cet écart. Les CAPEX et OPEX d'une usine d'ozonation à l'échelle commerciale ont également été estimés et comparés à une usine avec réacteurs à biofilm à lit mobile d'une capacité de 500 m3/h déjà existante et située dans le nord du Québec, au Canada. Cette comparaison a révélé que le coût des deux technologies serait du même ordre de grandeur.  ABSTRACT: Nitrogen-based contaminants are commonly found in mine impacted water, their primary sources being the use of explosives in hard rock mining, and the use of cyanide solutions for gold and silver extraction. Due to their potential acute toxicity at low concentrations, cyanide and their derivatives (thiocyanate, cyanate), ammonia nitrogen and nitrite are the principal nitrogen-based contaminants of concern at these mine sites. Conventional water treatment processes to remove these contaminants present several disadvantages when used on mine impacted water, especially for cold-climate applications. This context calls for the development of emerging technologies. Among these technologies, the efficiency of ozone to oxidize nitrogen-based contaminants has already been demonstrated in laboratory experiments. To further advance the general understanding of this approach, an evaluation of the performance of this technology at a pilot scale level was undertaken. Trials were divided in two phases: the parametric study to optimize operating conditions and the extended duration trials to evaluate the robustness of the process. The first phase was performed on the tailing supernatant of a gold mine which contains 1.8 ± 0.3 mg SCN-N/L, 14.0 ± 1.2 mg CNO-N/L and 34.9 ± 2.3 mg NH3-N/L. The extended duration trials were performed on both the tailing water and water from underground dewatering operations of the same mine. This water contained 40.1 mg NH3-N/L, and concentrations of thiocyanate, cyanate and total cyanide below detection level. Removal efficiency results on NH3-N during the parametric study stage of the project did not showed important difference between using a Venturi tube or a microbubble pump to inject the ozone in the water. The use of bromide, hydrogen peroxide, activated carbon and titanium dioxide as catalysts also did not yield notable difference between the trials with and without them. These trials also confirmed that a pH of 9.5 and above is required to successfully oxidize NH3-N with ozone. Based on the results above, four extended duration trials were then carried out. Optimal removal efficiencies were obtained by dosing 2 330 mg O3/L in the tailing water, and are as follows: 99% for SCN-, 64% for CNO- and 80% for NH3-N. However, the ozone dosing rate during this trial was four times above the stochiometric requirement. Ozone loss in the atmosphere and errors on the ozone dosing rate measurements are among the suspected explanations for this difference. The CAPEX and OPEX of a commercial scale ozonation plant were also estimated, and compared to an existing 500 m3/h moving bed biofilm reactor plant located in Northern Quebec, Canada. This comparison revealed that the cost of both technologies may be within the same order of magnitude.


identifier: Seifollahi Moghadam, Z. (2020). Evaluation of Mesh Characteristics for Scale-Resolving Simulation of Incompressible Flows  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'objectif principal de cette recherche est la simulation d'écoulements similaires à ceux rencontrés à l'intérieur des aspirateurs des turbines hydrauliques lorsque celles-ci fonctionnent hors des conditions nominales. L'importance de cette application réside dans le fait que les turbines doivent souvent être exploitées dans une gamme étendue de conditions de fonctionnement, y compris des conditions hors du point du rendement maximum. Ceci s'explique par le fait que l'hydroélectricité joue un rôle important en tant que source flexible d'alimentation en énergie pour le réseau électrique. L'énergie hydro-électrique est particulièrement importante dans la mesure où des sources d'énergie intermittentes telles que l'énergie solaire et éolienne font désormais partie du marché. Cependant, élargir les gammes de conditions de fonctionnement rend plus cruciale l'analyse des contraintes fluctuantes. Celles-ci peuvent en effet entraîner des instabilités, des défaillances mécaniques du système et également des oscillations de puissance spontanées sur le réseau.  Par conséquent, la compréhension et l'atténuation du comportement instable des turbines hydrauliques est centrale. Les approches SRS (Scale Resolving Simulation) telles que les LES et DES ont suscité beaucoup d'intérêt au cours de la dernière décennie pour une compréhension plus complète du comportement opérationnel instable des turbines hydrauliques. Cet intérêt s'explique par leur capacité à résoudre une partie de l'écoulement turbulent. Cependant, pour certains écoulements industriels, comme ceux à charge partielle, à charge partielle profonde ou à vide, pour lesquels les données expérimentales sont insuffisantes pour une compréhension approfondie des phénomènes, la fiabilité des simulations numériques en termes de dépendance au maillage est toujours un problème en suspens. Les études de vérification en LES sont également très difficiles, car les erreurs de discrétisation numérique et de modélisation des échelles sont toutes deux influencées par la résolution du maillage. Un examen approfondi de la littérature montre que les résultats SRS des différentes conditions de fonctionnement des turbines hydrauliques sont encore assez limités et qu'il n'y a pas de consensus sur l'exigence de résolution pour ces études. Par conséquent, le but de cette recherche est de développer un cadre fiable pour la validation et la vérification des études SRS, et plus particulièrement les études LES, afin qu'elles puissent être utilisées pour l'analyse des phénomènes d'écoulement dans les aspirateurs et les roues des turbines hydrauliques, pour des conditions de fonctionnement hors conception. Plusieurs critères de résolution pour l'analyse LES ont été identifiés dans la littérature et leur applicabilité et leur sensibilité sont examinées. Deux principaux cas test sont considérés dans cette recherche: l'écoulement turbulent dans un canal et un cas d'expansion soudaine. Dans cette étude, nous n'irons pas plus loin dans les applications aux turbines hydrauliques, mais celles-ci bénéficieront à terme des résultats des recherches en cours. Les résultats montrent que l'autocorrélation entre deux points est plus sensible à la résolution du maillage que le spectre énergétique. De plus, dans le cas d'une expansion soudaine, la résolution du maillage a un effet énorme sur les résultats et jusqu'à présent, nous n'avons pas capté de comportement de convergence asymptotique dans les résultats de RMS des fluctuations de vitesse et d'autocorrélation en deux points. Ce cas, qui représente un comportement d'écoulement complexe, nécessite d'autres études de résolution de maillage.  ABSTRACT: The central aim of this research is on the simulation of flows similar to the ones which occur inside hydraulic turbine draft-tubes at off-design operating conditions. The importance of this application is due to the fact that hydroturbines often need to be operated over an extended range of operating conditions including off-design conditions, since hydropower plays a significant role as a flexible source of energy supply to the electric network. This significance is due to the integration of non-dispatchable sources of energy such as solar and wind power. This range of operating conditions, however, makes the investigation of fluctuating stresses more crucial. Load fluctuations lead to instability, system mechanical failure and also to spontaneous power swings to the grid. Consequently, understanding and mitigating unsteady operational behavior of hydro turbines is very crucial. SRS approaches such as LES and DES have received more interests in the recent decade for understanding and mitigating unsteady operational behavior of hydro turbines. This interest is due to the ability of these methods to resolve part of turbulent flow. However, for some industrial flows, where there is no adequate experimental data for deep understanding of the flow physics, such as the ones which happen at part load, deep part load and speed no-load operation of hydraulic turbines, the reliability of numerical simulations in terms of their grid-dependency is still an open question. Verification studies in LES are also very challenging, since errors in numerical discretization and also subgrid-scale-model are both influenced by grid resolution. Comprehensive examination of the literature shows that the SRS of different operating condition of the hydraulic turbines is still quite limited and that there is no consensus on the resolution requirement of SRS studies. Therefore, the goal of this research is to develop a reliable framework for validation and verification of SRS , specially LES, so that it can be applied for the investigation of flow phenomena in hydraulic turbines draft-tubes and runners at their off-design operating conditions.  Several resolution criteria for LES analysis have been identified in the literature and their applicability and the level of insight which they put into our analysis are scrutinized. Two main test cases are considered in this research, turbulent channel flow and a case of sudden expansion. In this study we will not further go to the real applications and simulations in hydraulic turbines. Hydraulic turbines will eventually benefit from the results of the current research. The results show that two-point autocorrelation is more sensitive to mesh resolution that energy spectra. In addition, for the case of sudden expansion, the mesh resolution has a tremendous effect on the results and so far, we did not capture an asymptotic converging behaviour in the results of RMS of velocity fluctuations and two-point autocorrelation. This case, which represents complex flow behaviour, needs further mesh resolution studies.


identifier: Phan, A. T. (2020). Thermodynamic Modeling of Complex Solid Solutions for Lithium Battery Applications  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: LiFePO4 est un matériau attrayant pour les batteries au lithium car il conserve sa structure cristalline de type olivine et ce, malgré le mouvement réversible des ions lithium. Lorsque les ions Li+ sont tous extraits de la triphylite (LiFePO4), l'heterosite (FePO4) se forme et une coexistence entre les deux phases, LiFePO4 et FePO4, conduit à la formation d'un plateau de tension électrique stable. La compréhension des équilibres de phases au sein du système FePO4 -LiFePO4 est donc nécessaire pour caractériser et optimiser d'une part les performances des batteries à base de LiFePO4. Lors de cette étude, nous avons tout d'abord modélisé via une approche de type CALPHAD (Calculation of PHAse Diagram) le comportement thermodynamique du système FePO4 -LiFePO4 afin d'établir une description fine des transformations de phase dans le matériau de cathode pendant le fonctionnement de la batterie. Pour représenter l'état thermodynamique du système, l'énergie libre de Gibbs de la solution solide LixFePO4 a été décrite via le  Compound Energy Formalism (CEF) . Les équilibres des phases sont ensuite déterminés par une technique de la minimisation de l'énergie libre de Gibbs idoine implémentée sur le logiciel Matlab. Un ordre à longue distance ( LRO ) sur les sous-réseaux du Li et du Fe au sein de la solution solide LixFePO4 fut introduit afin de reproduire simultanément et de manière critique les données expérimentales, disponibles dans la littérature, relatives à (i) la réaction eutectoïde, (ii) les trois lacunes de miscibilité et (iii) l'enthalpie de mélange. Il est montré, qu'aux basses températures (300 K  T 500 K), la lacune de miscibilité du système LiFePO4-FePO4 se décompose de deux sous-lacunes de miscibilité. En se basant sur l'analyse de la décomposition de spinoïdale calculée, nous montrons qu'un transport rapide de charge est possible dans le matériau de cathode et peut comporter deux étapes dans le processus décomposition spinoïdale. Le consensus actuel veut que la structure d'olivine que conserve la cathode donne à LiFePO4 une capacité aux hauts débits. Cependant, le matériau massif LiFePO4 n'est utilisé que pour les applications aux faibles débits. En fait, c'est la transformation cohérente du système de taille nanométrique qui confère à LiFePO4 sa capacité aux hauts débits. Pour comprendre et représenter les phénomènes de charge /décharge rapides au sein des batteries à LiFePO4, les équilibres de phases du système cohérent LiFePO4-FePO4 à l'échelle nanométrique sont établis dans cette recherche. Pour cela, dans la deuxième partie de cette thèse nous avons étudié les équilibres de phases du système cohérent LiFePO4-FePO4 en fonction de la taille de particule jusqu'à 15 nm.  ABSTRACT: LiFePO4 cathode material is attractive since it can remain its olivine crystal structure despite the reversible movement of lithium ions. As all Li+ ions are extracted from olivine-LiFePO4 (triphylite), olivine-FePO4 (heterosite) is formed and the two olivine phases, LiFePO4 and FePO4, coexisted leads to the formation of the stable voltage plateau. Therefore, the understanding of phase equilibria within the LiFePO4 - FePO4 system is necessary to characterize and optimize the performance of LiFePO4 battery. The thermodynamic behavior of the LiFePO4 - FePO4 system is modeled via the CALPHAD (Calculation of PHAse Diagram) approach in order to describe sufficiently the phase transformation in the cathode material during the battery operation. For representing the thermodynamic state of the system, the Gibbs free energy of the LixFePO4 solid solution is modeled by compound energy formalism (CEF). The phase equilibria consequently are determined by the Gibbs energy minimization technique implemented on Matlab software. An extra long-range-order of the LixFePO4 solid solution is introduced to reproduce simultaneously the eutectoid reaction, the three miscibility gaps, and the enthalpy of mixing in accordance with the reported experimental data. The study shows that at low temperatures (298


identifier: Van Der Kallen, C. (2020). Influence de la taille des particules sur la bioaccessibilité gastro-intestinale et pulmonaire des métaux lourds dans des sols contaminés à l'arséniate de cuivre chromaté (ACC)  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'intensification des activités anthropiques, ainsi que l'action de processus naturels comme l'érosion, sont responsables de la contamination des sols et de l'eau par des métaux lourds. Ces éléments sont toxiques et les risques associés à la santé humaine dépendent de leur concentration, de leur spéciation, de leur bioaccessibilité et de la durée d'exposition. L'As, le Cu et le Cr sont les éléments clés de ce projet, puisque les sols étudiés ont été échantillonnés aux alentours de poteaux de bois traités avec de l'arséniate de cuivre chromaté (ACC). L'usage de cet agent de préservation a été interdit pour des applications résidentielles en 2003 après que des recherches scientifiques ont montré qu'avec le temps, ces constituants sont lixiviés, ce qui entraine une contamination de l'eau et des sols situés à proximité des structures en bois traité. Malgré cette interdiction, plusieurs structures telles que des poteaux de câbles électriques ou de télécommunications, des tables de pique-nique et des aires de jeux pour les enfants traités avec de l'ACC sont toujours en place. Sachant que les particules de sols contaminés peuvent être ingérées et inhalées accidentellement, ce projet vise à quantifier les concentrations de contaminants dans les sols et les fractions solubilisées en milieux gastro-intestinal et pulmonaire. Cette fraction solubilisée dans des fluides biologiques est aussi appelée fraction bioaccessible. Les particules de sols les plus fines, de diamètre < 20 μm, sont facilement mises en suspension dans l'air et inhalées. La taille des grains qui adhèrent aux mains et qui seront potentiellement ingérés n'est pas bien établie, pourtant, la majorité des évaluations de risque en cas d'ingestion prennent en compte les particules de sol de diamètre < 250 μm. Dix échantillons de sol adjacents à des poteaux électriques traités à l'ACC ont été échantillonnés et tamisés en quatre fractions (< 2 mm, 250-90 μm, 90-20 μm et < 20 μm). Les teneurs en métaux et métalloïdes (As, Cu, Cr, Pb, Zn) et les propriétés physico-chimiques ont été déterminées dans chaque fraction. Des tests de bioaccessibilité orale en utilisant la méthode In Vitro Gastro-intestinale (IVG) ont été réalisés sur les fractions 250-90 μm et 90-20 μm afin d'évaluer l'impact des différentes tailles de particules lors des évaluations de risque suite à l'ingestion de sols contaminés. Des tests de bioaccessibilité par inhalation ont également été effectués avec les particules de sol de taille < 20 μm en employant deux fluides pulmonaires synthétiques: le fluide lysosomal artificiel (ALF) et la solution de Gamble (GS). Les résultats obtenus indiquent que la concentration totale en métaux augmente avec la réduction de la taille des particules. La bioaccessibilité orale de l'As (%) a augmenté avec la hausse de la taille des particules dans 9 des 10 sols (p < 0,05) (250-90 μm : 31.7 ± 8,5 %; 90-20 μm : 22.9 ± 5,4 %), mais la bioaccessibilité orale de l'As exprimée en mg/kg était similaire pour les deux tailles de particules. Des cinq métaux analysés, le cuivre a présenté le pourcentage de bioaccessibilité le plus élevé dans les solutions ALF (77,8 ± 5,2 %) et IVG (250-90 μm : 49,8 ± 6,4 %; 90-20 μm : 49,0 ± 8,4 %). La bioaccessibilité orale du Cr (% et mg/kg) a augmenté lors de la réduction de la taille des particules (p < 0,05), bien que les valeurs soient assez faibles (250-90 μm : 2,5 ± 3,7 %; 90-20 μm : 9,5 ± 9,0 %). Pour le Pb, la bioaccessibilité orale était variable, mais plus élevée que pour le Cr (250-90 μm : 15,1 ± 13,9 %; 90-20 μm : 19,1 ± 18,3 %). La bioaccessibilité du Zn par voie orale était relativement faible et très variable (250-90 μm : 6,7 ± 7,3 %; 90-20 μm : 8,9 ± 8,8 %). Globalement, la bioaccessibilité (%) orale des métaux décroit dans l'ordre : Cu > As > Pb > Zn > Cr. La bioaccessibilité (%) dans les fluides pulmonaires décroit dans l'ordre : Cu > Zn > As> Pb ≈ Cr avec le fluide ALF, et As > Cu en utilisant la solution GS. Pour tous les éléments, la bioaccessibilité par inhalation (%) avec l'ALF était supérieure à la bioaccessibilité orale. Cependant, la solubilité des métaux dans GS présentait les valeurs les plus faibles. La teneur en matière organique (COT) et la capacité d'échange cationique (CEC) jouent un rôle important sur la rétention des métaux, étant donné que dans la fraction 90-20 μm, ces propriétés ont été corrélées négativement avec la bioaccessibilité orale de l'As (mg/kg) (COT : r2 > 0,64, p < 0,05 et CEC : r2 > 0,61, p < 0,05), du Cu (%) (COT : r2 > 0,80, p < 0,005 et CEC : r2 > 0,67, p < 0,005) et du Pb (%) (COT : r2 > 0,40, p < 0,05 et CEC : r2> 0,41, p < 0,05). Cependant, l'impact de ces propriétés sur la bioaccessibilité des particules de taille > 90 μm n'est pas significatif. Les travaux menés dans le cadre de ce projet ont atteint les objectifs initiaux et ont permis une meilleure compréhension de la solubilité de métaux et metalloïdes dans des fluides artificiels digestifs et pulmonaires. Par rapport à l'influence des paramètres physico-chimiques des sols, les essais ont démontré que la présence de matière organique a pour effet réduire la bioaccessibilité des métaux sur les particules plus fines (< 90 μm), principalement pour le Cu. La présente étude suggère que la taille de particules utilisée lors de l'évaluation de risques par ingestion accidentelle de sol contaminé à l'ACC peut influencer le risque estimé. Des cinq métaux et metalloïdes étudiés, le pourcentage d'As bioaccessible a été le plus influencé par la taille de particules, et étant donné qu'il s'agit de l'élément le plus dangereux, l'évaluation des risques doit être effectuée avec précaution.  ABSTRACT: The intensification of anthropogenic activities, as well as the action of natural processes such as erosion, are responsible for the contamination of soil and water by heavy metals. These elements are toxic, and the risks associated with human health depend on their concentration, their speciation, their bioaccessibility, and the exposure time. As, Cu and Cr are the key elements of this project, since the soils studied were sampled around wood poles treated with chromated copper arsenate (CCA). The use of this product for residential applications was prohibited in 2003 after scientific research has shown that over time, these constituents are leached, which leads to contamination of water and soils near treated wood structures. Despite its ban, several structures such as poles for electrical or telecommunications cables, picnic tables, and playgrounds for children treated with CCA are still in service. Knowing that soil particles can be accidentally ingested and inhaled, this project aims to quantify the concentrations of contaminants in soils and the solubilized fractions in the gastrointestinal and pulmonary environments. This solubilized fraction in physiologically based synthetic fluids is also called “bioaccessible fraction”. The finest soil particles, < 20 μm in diameter, are easily suspended in the air and inhaled. The size of the grains that stick to the hands and that will potentially be swallowed is not well established, however, most risk assessments in the case of ingestion consider soil particles with a diameter < 250 μm. Ten soil samples adjacent to CCA-treated wood poles were collected and sieved into four fractions (< 2 mm, 250-90 μm, 90-20 μm and < 20 μm). Metal contents (As, Cu, Cr, Pb, Zn) and soil physicochemical properties were analyzed in each fraction. Oral bioaccessibility tests using the In Vitro Gastro-intestinal (IVG) method were performed on the 250-90 μm and 90-20 μm fractions in order to assess the impact of different particles size during risk assessments following ingestion of contaminated soil. Inhalation bioaccessibility tests were carried out with particles of size < 20 μm using two simulated pulmonary fluids: artificial lysosomal fluid (ALF) and Gamble solution (GS). The total concentration of metal(loid)s increased with decreasing particle size. Oral As bioaccessibility (%) increased with increasing particle size in 9 out of 10 soils (p < 0.05) (250-90 μm: 31.7 ± 8.5%; 90-20 μm: 22.9 ± 5.4%), but oral As bioaccessibility expressed in mg/kg was not significantly different for both particle size. Among the five metal(loid)s analyzed, Cu showed the highest bioaccessibility (%) using ALF solution (77.8 ± 5.2%) and IVG (250-90 μm: 49.8 ± 6.4%; 90-20 μm: 49.0 ± 8.4%). Oral Cr bioaccessibility (% and mg/kg) increased with decreasing particle size (p < 0.05), although Cr bioaccessibility was very low (250-90 μm: 2.5 ± 3.7%; 90-20 μm: 9.5 ± 9.0%). Oral Pb bioaccessibility was variable but higher (250-90 μm: 15.1 ± 13.9%; 90-20 μm: 19.1 ± 18.3%). Oral Zn bioaccessibility was relatively low and highly variable (250-90 μm: 6.7 ± 7.3%; 90-20 μm: 8.9 ± 8.8%). Thus, oral bioaccessibility of metal(loid)s decreased in the order: Cu > As > Pb > Zn > Cr. Bioaccessibility (%) in simulated lung fluids decreased in the order: Cu > Zn > As > Pb ≈ Cr using ALF, and As > Cu using GS solution. For all elements, inhalation bioaccessibility (%) with ALF was higher than oral bioaccessibility. However, solubility of metal(loid)s in GS presented the lowest values. The organic matter content (TOC) and the cation exchange capacity (CEC) play an important role in metal retention, so that in the 90-20 μm fraction, these properties were negatively correlated with oral bioaccessibility of As (mg/kg) (TOC : r2 > 0.64, p < 0.05 and CEC: r2 > 0,61, p < 0.05), Cu (%) (TOC : r2 > 0.80, p < 0.005 and CEC: r2 > 0,67, p < 0.005) and Pb (%) (TOC : r2 > 0.40, p < 0.05 and CEC: r2 > 0,41, p < 0.05). Nevertheless, the impact of these properties on the bioaccessibility of particles > 90 μm was not significant. The investigations carried out in this project achieved the initial objectives and allowed a better understanding of the solubility of metals in simulated digestive and pulmonary fluids. Regarding the influence of soil physicochemical properties, tests and characterization have shown that the presence of organic matter reduced metal bioaccessibility on finer particles (< 90 μm), mainly for Cu. The present study indicated that the particle size used during the risk assessment by accidental ingestion of soil contaminated with CCA may impact the estimated risk. Of the five metal(loid)s studied, As bioaccessibility (%) was the most impacted by particle size, and given that it is the most dangerous element in CCA-contaminated soils, risk assessment should be estimated with caution.


identifier: Balal Pour, M. (2019). New General Framework for Ferrotitanium Process Control  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les producteurs d'acier sont connues pour être à l'origine d'autres industries manufacturières. Les sidérurgistes sont toujours en concurrence pour être en avance sur les autres en matière de qualité. Pour améliorer leurs produits, ces entreprises tentent toujours d'améliorer la qualité de leurs produits en appliquant des additifs chimiques. L'un de ces additifs est appelé ferroalliage. Le ferroalliage est une combinaison du métal avec une grande quantité d'alliages chimiques différents tels que le vanadium, le titane, le silicium, l'aluminium, etc. Chacun de ces ferroalliages a un effet constructif sur les performances de l'acier produit. Le contrôle statistique des processus (SPC) est la méthode la plus utilisée par les producteurs de ferrotitane pour contrôler leurs processus. Le SPC a commencé à être utilisée dans les industries à partir des années 1920 et son utilisation a augmenté significativement pendant la Seconde Guerre mondiale. Les entreprises qui utilisent le contrôle statistique des processus gardent leurs principaux processus sous contrôle pour surveiller la stabilité, la capacité et les performances du processus. Cette méthode statistique est la façon la plus compréhensible et la plus simple de mettre en oeuvre des méthodes de contrôle statistique univariée sur les processus. Mais dans la plupart des processus réels, il existe toujours plusieurs variables dans lesquelles les entreprises tentent de les contrôler. Par conséquent, l'utilisation de la méthode statistique univariée pour surveiller toutes leurs variables leur pose certaines difficultés. Il ne peut pas considérer les corrélations possibles entre les variables et la surveillance de plusieurs cartes de contrôle en même temps est impossible pour les opérateurs. Chacune des cartes de contrôle a sa propre signification et les données de contrôle ne peuvent pas être collectées dans une carte unique. Par conséquent, lorsqu'il y a un produit hors contrôle, il faut beaucoup de temps et d'énergie pour déterminer quelle variable était responsable de l'erreur. L'objectif principal de cette recherche est de développer un cadre général pour déterminer les variables principales à contrôler dans le processus ferrotitanium et pour déterminer l'importance de chacune de ces variables. Dans ce modèle, après la collecte de l'ensemble de données historiques et après la préparation des données, nous analysons l'ensemble de données général, à l'aide de méthodes d'apprentissage supervisées et non supervisées, pour trouver la corrélation linéaire et non linéaire entre les variables et pour trouver les éléments les plus importants à surveiller. Les méthodes d'apprentissage supervisées et non supervisées proposées ont été appliquées sur un sous-ensemble de données historiques pour valider l'approche proposée. Nos résultats montrent qu'en utilisant des méthodes d'apprentissage supervisé telles que la régression linéaire multiple et la méthode de forêt aléatoire, nous pouvons déterminer les principaux éléments de chaque variable de réponse et la priorité de chaque prédicteur par rapport à l'ensemble de données générales et au sous-ensemble de données de produits sélectionné. Dans les méthodes d'apprentissage non supervisées, en utilisant l'analyse des composants principaux comme méthode principale de contrôle des processus multivariés, toutes les variables cachées sont ainsi étudiées et analysées.  ABSTRACT: Steel producer companies are known as the root of other manufacturing industries. Steelmakers are always competing with each other to be ahead of the others in quality matters. To improve their products, these companies always are trying to improve the quality of their products by applying some chemical additives. One of these main additives is called ferroalloy chemical. Ferroalloy is a combination of the metal with a high amount of some different chemical alloys such as vanadium, titanium, silicon, aluminum, etc. Each of these ferroalloys has a constructive effect on the performance of produced steel (Holappa, 2010). Statistical process control (SPC) is the most popular method between ferrotitanium producers to control their processes. SPC started to be used over the industries from early 1920s and its use has grown during the World War II. Companies that use the statistical process control keep their main processes under control to monitor the stability, capacity, and process performance. This statistical method is the most understandable and the easiest way to implement univariate statistical control methods over the processes. However, in most of the real processes, there are always several variables in which companies try to control them. Therefore, using the univariate statistical method to monitor all their variables generate some difficulties. They cannot consider the possible correlations between the variables and monitoring several control charts at the same time is impossible for operators. Each of the control charts has its significance level and they cannot be collected in a unique chart. Therefore, when there is any out of range product in the ferrotitanium process, it takes a lot of time and energy to find out which variable was responsible of the error. The main goal of this research is to develop a general framework to determine the main variables to be controlled in the ferrotitanium process, and to determine the importance of each of these variables. In this model, after collecting the historical dataset and after data preparation, we analyze using supervised and unsupervised learning methods the general dataset to find out the linear and non-linear correlation between variables and to find out the most important elements of each response variable and to analyze whether the production results are predictable. Based on this result, the supervised and unsupervised learning methods was reapplied over a selected product data subset to see if the results match the general dataset results. Our results show that using supervised learning methods such as multiple linear regression and random forest method, we can determine the main elements of each response variable and the priority of each predictor over both general dataset and selected product data subset. In unsupervised learning methods, using the principal component analysis as the main method of multivariate process control, all the hidden variables can be studied and analysed.


identifier: Lonca, G. (2020). L'économie circulaire est-elle bonne pour l'environnement ? Essais sur la mesure de la circularité  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le concept d'Économie Circulaire (ÉC) met au défi gouvernements, compagnies et société civile de s'accorder sur un objectif commun. Cependant, cette diversité d'acteurs et de parties prenantes conduit inévitablement à décliner les solutions d'ÉC selon des cadres d'application très différents, et dont la mesure du succès repose sur l'atteinte d'objectifs parfois contradictoires et soutenus par des postulats de plus en plus contesté : (1) augmenter la remise en circulation des matériaux et éviter l'extraction et la production de ressources vierges conduit à réduire les impacts sur l'environnement et (2) boucler les flux de matières à l'échelle d'un produit ou d'une organisation constitue une trajectoire de progrès vers une ÉC. Alors que le premier cas donne lieu à des situations d'arbitrage difficiles, le second cas exclut les effets d'échelle du champ d'étude. À la question initialement formulée dans le titre « l'ÉC est-elle bonne pour l'environnement ? », nous argumentons que oui, à condition que ces deux phénomènes soient suffisamment bien identifiés afin d'être maitrisés et garantir un progrès vers une économie réellement circulaire et durable. La remise en question de ces postulats dans la littérature et l'apparition de nouveaux indicateurs liés à la popularisation du concept d'ÉC nous amènent à nous poser la question suivante : doit-on développer de nouveaux outils dédiés à l'ÉC? La revue de littérature révèle différents types d'outils permettant soit de mesurer le degré de circularité d'un système défini dans le temps et dans l'espace, soit d'en mesurer les effets sur l'écosphère. À ce jour, aucun outil ne permet (1) de capturer tout l'éventail des stratégies incarnées par l'ÉC, (2) d'avoir un regard un sur les situations d'arbitrage ni (3) d'intégrer les effets d'échelle. Sans prétendre fournir un nouvel outil d'analyse, cette thèse pose les bases d'une approche méthodologique qui intègre ces trois critères. Dans le premier article, nous challengeons le premier postulat en utilisant l'Analyse du Cycle de Vie (ACV) et le Material Circularity Indicator (MCI) développé par la Fondation Ellen Macarthur au travers d'une étude de cas sur la gestion des pneus de poids lourds usés au Brésil, à partir duquel nous analysons trois scénarios : la situation courante, le rechapage et le recreusage. Nous proposons une approche pour discuter des résultats du MCI et de l'ACV qui identifie quatre types de trajectoires : un couplage, un découplage, un compromis sur les stocks de ressources ou un compromis sur les réservoirs de pollution. Les études de cas révèlent qu'allonger la durée de vie grâce au rechapage améliore le score de circularité d'un pneu mais n'améliore pas nécessairement les impacts sur la santé humaine et les écosystèmes. Dans le deuxième article, nous challengeons les deux postulats de circularité avec une étude de cas sur le recyclage des bouteilles en Polyéthylène Téréphtalate (PET) en boucle fermée aux États-Unis. Le MCI et l'impact sur les changements climatiques révélés par l'ACV révèle que boucler les flux de matières au niveau de la bouteille augmente la circularité de celle-ci et diminue les impacts sur son cycle de vie mais transfère les impacts sur le reste du marché du PET incluant d'autres applications qui ne requièrent pas du PET de haute qualité. Or en élargissant le champ d'application à l'ensemble du marché du PET, favoriser le recyclage en boucle ouverte en incluant d'autres applications pour le recyclage du PET est plus bénéfique sur tous les plans et qu'améliorer la collecte est le premier levier d'amélioration environnementale pour le marché du PET. Dans le troisième article, nous développons une approche polyvalente pour évaluer la performance des différentes stratégies d'ÉC inspirée de l'utilisation empirique de l'IPAT (Impact = Population x Affluence x Technologie). Notre proposition permet de distinguer les efforts d'amélioration de la circularité selon différentes échelles d'observation, par exemple par région, secteur, processus ou autre, ainsi que le produit de différents facteurs clés de la mise en œuvre de l'ÉC, employant par exemple des ratios d'efficience technologique tels que les GES/matériaux ou matériaux/produit. L'objectif de l'ÉC étant souvent tenu au discours du découplage de l'activité économique de la dégradation du capital naturel, nous utilisons cette formulation générale pour quantifier le niveau de contribution d'une stratégie d'ÉC à un découplage global selon les trajectoires d'évolution des facteurs d'efficacité technologique. Ce type d'approche permet, par exemple, de déduire les cibles d'augmentation maximale de production d'un matériau pour assurer l'efficacité des stratégies de circularité comme nous l'illustrons avec les travaux prospectifs réalisés par le cabinet de conseil suédois Material Economics, ensuite repris par la Fondation Ellen Macarthur. Le premier article montre que l'indicateur de ressources en ACV et le MCI mènent à des conclusions différentes ; alors que le MCI mesure le degré de circularité, les indicateurs d'ACV mesurent plutôt les conséquences d'une stratégie circulaire sur l'environnement. Les résultats du deuxième article ont permis de montrer qu'améliorer la circularité d'un produit n'améliore pas nécessairement la circularité moyenne des produits car elle ne réduit pas systématiquement la demande en ressources vierges ni les impacts sur l'environnement globalement. Ainsi, les frontières d'analyse d'une stratégie de circularité devraient être suffisamment systémique pour inclure les potentiels effets d'échelle, soutenant l'idée selon laquelle analyser la circularité au niveau produit est en contradiction avec le caractère symbiotique de l'ÉC. La proposition formulée dans le troisième article est suffisamment polyvalente pour répondre aux trois critères que les outils de la littérature manquent d'intégrer – les stratégies d'ÉC, les situations d'arbitrage et les effets d'échelle – mais elle manque encore de pragmatisme dans l'intégration des effets de marché. L'emploi de modèles d'équilibre général pourrait pallier ce manque. À la question « doit-on développer de nouveaux outils dédiés à l'ÉC? », ce travail de recherche tend à démontrer qu'une meilleure intégration des outils existants suffirait. Par exemple, une avenue de recherche possible consisterait à employer la décomposition de l'indicateur proposée dans le troisième article pour identifier la « structure économique » caractéristique d'un produit, d'un composant ou d'un matériau en combinant des méthodologies existantes basées sur une structure de calcul matricielle. L'utilisation combinée de ce type d'outil permettrait d'évaluer la contribution d'un produit à une ÉC, plutôt que d'évaluer le degré de circularité du produit en soi.  ABSTRACT: The Circular Economy (CE) concept is inspiring new governmental policies along with company strategies. This has led to the emergence of a plethora of indicators to quantify the “circularity” of individual companies or products. Preserving resources and reducing emissions are both necessary conditions to achieve a sustainable CE, and the corresponding assessment tools should be selected accordingly. Approaches behind these indicators build mainly on two implicit premises: (1) maximizing material circularity contributes to mitigating environmental impacts and (2) closing material loops at product level leads to improvements in material efficiency for the economy as a whole. While the first case gives rise to environmental trade-off situations, the second case disregards the scale effects. To the question immediately formulated in the title "Is circular economy good for the environment?", we argue that yes, provided that these two premises can be sufficiently well verified to be monitored. With the literature increasingly questioning these premises and the development of new indicators related to the popularization of the CE concept, we asked ourselves the following question: should we develop new tools dedicated to CE? The literature review reveals different types of tools either used to measure the degree of circularity of a system defined in time and space, or to measure the effects on the ecosphere. To date, no tool allows (1) to capture the whole range of CE strategies, (2) to monitor trade-off situations nor (3) to integrate scale effects. Without providing a new analytical tool, this thesis lays the foundations for a methodological approach that integrates these three criteria. In the first paper, we challenge the first premise that material circularity contributes to mitigating environmental impacts using the Life Cycle Assessment (LCA) and the Material Circularity Indicator (MCI) through two case studies from the tire industry. In the most comprehensive case study, we analyze three scenarios to process used tires in Brazil: baseline, retreading and regrooving. We propose an approach to discuss MCI and LCA results that identifies four pathways toward or away from the CE goal: coupling, decoupling, trade-off related to resource consumption or trade-off related to emissions. The case studies reveal that extending lifetime through retreading and introducing recycled material improve the MCI of a tire, but do not necessarily improve impacts on human health and ecosystems. In the second paper, we challenge the both premises, on the environmental trade-off and the scale effect, with a case study on closed-loop recycling of polyethylene terephthalate (PET) bottles in the USA. The MCI and the impact on climate change revealed by the LCA show that closing the material flows within the scope of a bottle lifecycle increases its circularity and decreases the environmental impacts. This, however, shift burdens to other sectors where recycled PET is applied and where using high quality PET is not required. However, expanding the assessment scope to the entire PET market, open-loop recycling by including other applications to introduce recycled PET, i.e. fiber textile, sheets and films, appears more beneficial and that increasing the post-consumer bottle reclamation rate is the major environmental improvement lever for the PET market. In the third paper we develop a versatile approach to assess the environmental performance of CE strategies, building on an empirical use of the IPAT (Impact = Population x Affluence x Technology). Our approach can distinguish activities by region, industry or process for instance, and the product of environmental efficiency factors, embodied in T, illustrates key drivers for CE implementation, e.g. GHG/materials and materials/product. CE is often linked to decoupling the economic activity from the degradation of the environment. Hence, we use our approach to quantify the contribution of a CE strategy to an overall decoupling according to the scenarios of technological efficiency factors. This type of approach allows, for example, to deduce the maximum allowable increase in the production of a material to ensure the effectiveness of circularity strategies. We illustrate this approach with data from the scenario analysis carried out by the Swedish consultancy Material Economics, then taken over by the Ellen Macarthur Foundation. The first paper shows trade-offs in the results between the MCI and the LCA resource indicator and thereby highlight relevant issues to the design of future assessment tools; while the MCI measures the degree of circularity, LCA indicators measure the environmental impact of a circular strategy. Results of the second paper show that improving the circularity of a single product does not necessarily improve products average because product circularity does not necessarily reduce virgin resource demand and environmental impacts at a broader market perspective. Hence, we conclude that a CE assessment scope should be systemic enough to enhance progress towards reducing environmental impacts and that the way product-level circularity assessment is currently performed is contradictory to the symbiotic purpose of CE. The approached developed in the third paper is versatile enough to meet the three criteria that current tools in the literature fail to integrate – CE strategies, monitoring trade-off situations and integrating scale effects – but it currently does not allow the integration of market effects in a pragmatic way. The use of general equilibrium models could fill this gap.  To the question "should we develop new tools dedicated to CE?", this research work demonstrate that a better integration of existing tools would suffice. A possible research avenue could be based on, for instance, using the decomposition of the indicator proposed in the third article to identify the “economic structure” characteristic of a product, a component or a material by combining existing methodologies based on a matrix computational structure. The combined use of these tools would assess the contribution of a product to a CE, rather than assessing the degree of circularity of the product itself.


identifier: Aly, M. (2020). Designing and Deploying Internet of Things Applications in the Industry: An Empirical Investigation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'Internet des objets (IdO) a pour objectif de permettre la connectivité à presque tous les objets trouvés dans l'espace physique. Il étend la connectivité aux objets de tous les jours et o˙re la possibilité de surveiller, de suivre, de se connecter et d'intéragir plus eÿcacement avec les actifs industriels. Dans l'industrie de nos jours, les réseaux de capteurs connectés surveillent les mouvements logistiques, fabriquent des machines et aident les organisations à améliorer leur eÿcacité et à réduire les coûts. Cependant, la conception et l'implémentation d'un réseau IdO restent, aujourd'hui, une tâche particulièrement diÿcile. Nous constatons un haut niveau de fragmentation dans le paysage de l'IdO, les développeurs se complaig-nent régulièrement de la diÿculté à intégrer diverses technologies avec des divers objets trouvés dans les systèmes IdO et l'absence des directives et/ou des pratiques claires pour le développement et le déploiement d'application IdO sûres et eÿcaces. Par conséquent, analyser et comprendre les problèmes liés au développement et au déploiement de l'IdO sont primordiaux pour permettre à l'industrie d'exploiter son plein potentiel. Dans cette thèse, nous examinons les interactions des spécialistes de l'IdO sur le sites Web populaire, Stack Overflow et Stack Exchange, afin de comprendre les défis et les problèmes auxquels ils sont confrontés lors du développement et du déploiement de di˙érentes appli-cations de l'IdO. Ensuite, nous examinons le manque d'interopérabilité entre les techniques développées pour l'IdO, nous étudions les défis que leur intégration pose et nous fournissons des directives aux praticiens intéressés par la connexion des réseaux et des dispositifs de l'IdO pour développer divers services et applications. D'autre part, la sécurité étant essen-tielle au succès de cette technologie, nous étudions les di˙érentes menaces et défis de sécurité sur les di˙érentes couches de l'architecture des systèmes de l'IdO et nous proposons des contre-mesures. Enfin, nous menons une série d'expériences qui vise à comprendre les avantages et les incon-vénients des déploiements 'serverful' et 'serverless' des applications de l'IdO afin de fournir aux praticiens des directives et des recommandations fondées sur des éléments probants relatifs à de tels déploiements. Les résultats présentés représentent une étape très importante vers une profonde compréhension de ces technologies très prometteuses. Nous estimons que nos recommandations et nos suggestions aideront les praticiens et les bâtisseurs technologiques à améliorer la qualité des logiciels et des systèmes de l'IdO. Nous espérons que nos résultats pourront aider les communautés et les consortiums de l'IdO à établir des normes et des directives pour le développement, la maintenance, et l'évolution des logiciels de l'IdO.  ABSTRACT: Internet of Things (IoT) aims to bring connectivity to almost every object found in the phys-ical space. It extends connectivity to everyday things, opens up the possibility to monitor, track, connect, and interact with industrial assets more eÿciently. In the industry nowadays, we can see connected sensor networks monitor logistics movements, manufacturing machines, and help organizations improve their eÿciency and reduce costs as well. However, designing and implementing an IoT network today is still a very challenging task. We are witnessing a high level of fragmentation in the IoT landscape and developers regularly complain about the diÿculty to integrate diverse technologies of various objects found in IoT systems, and the lack of clear guidelines and–or practices for developing and deploying safe and eÿcient IoT applications. Therefore, analyzing and understanding issues related to the development and deployment of the Internet of Things is utterly important to allow the industry to utilize its fullest potential. In this thesis, we examine IoT practitioners' discussions on the popular Q&A websites, Stack Overflow and Stack Exchange, to understand the challenges and issues that they face when developing and deploying di˙erent IoT applications. Next, we examine the lack of interoper-ability among technologies developed for IoT and study the challenges that their integration poses and provide guidelines for practitioners interested in connecting IoT networks and de-vices to develop various services and applications. Since security issues are center to the success of this technology, we also investigate di˙erent security threats and challenges across di˙erent layers of the architecture of IoT systems and propose countermeasures. Finally, we conduct a series of experiments to understand the advantages and trade-o˙s of serverful and serverless deployments of IoT applications in order to provide practitioners with evidence-based guidelines and recommendations on such deployments. The results presented in this thesis represent a first important step towards a deep understanding of these very promising technologies. We believe that our recommendations and suggestions will help practitioners and technology builders improve the quality of IoT software and systems. We also hope that our results can help IoT communities and consortia establish standards and guidelines for the development, maintenance, and evolution of IoT software and systems.


identifier: Delbar, A. (2020). Développement d'équations pour la partie advective du transport d'un traceur injecté dans un puits avec prise en compte de la distorsion des lignes d'écoulement par le puits  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les méthodes d'interprétation d'essais de traceur sont souvent basées sur des équations faisant l'hypothèse d'un écoulement régional naturel rectiligne uniforme. Le but de ce projet était de proposer de nouvelles équations pour la partie advective du transport d'un contaminant, en prenant en compte la distorsion des lignes d'écoulement au voisinage du puits d'injection. Le potentiel complexe du flux lors d'un essai de traceur a été obtenu par superposition de celui d'un flux naturel rectiligne uniforme déformé par la présence d'un puits au repos et celui d'un flux radial correspondant à une injection isotrope seule. Les équations ont été développées pour un plan horizontal et le potentiel complexe trouvé a pu être dérivé en champ de vitesse, puis en une formule reliant la position du front du panache d'injection et le temps écoulé depuis le début de celle-ci. Ces nouvelles équations ont ensuite été testées par simulations numériques. Un aquifère plan a été modélisé en 2D et paramétré pour réaliser numériquement du traçage de particules et de l'advection-dispersion en un temps raisonnable. Ce modèle a permis d'effectuer des essais de traceur numériques et les résultats sur le temps nécessaire pour pomper intégralement le panache de traceur préalablement injecté a été comparé à celui calculé à l'aide des nouvelles équations et celui calculé par d'anciennes équations ne prenant pas en compte la distorsion du champ de vitesse par la présence du puits. Les résultats ont montré que les nouvelles équations sont significativement plus précises, notamment lorsque la vitesse d'injection est plus faible que la vitesse d'écoulement régional naturel, pour un diamètre de puits suffisamment grand et au voisinage du puits d'injection. Trois formes de panache ont pu être visualisées numériquement : ces formes dépendent de la valeur d'un paramètre � comparant la composante de la vitesse relative à l'injection au puits et la composante relative à l'écoulement régional naturel.  ABSTRACT: Methods for interpreting tracer tests often rely on equations assuming a natural regional flow which is straight and uniform. The main purpose of this project was to suggest new equations for the advective part of contaminant transport, by including the flow lines distortion occuring in the vicinity of the injection well. The complex potential of the flow during a tracer test was calculated by superimposing the complex potential of a natural, straight and uniform flow distorted by the presence of a passive well, and the complex potential of a radial flow corresponding to an isotropic injection alone. The equations were developed for a horizontal plan and the calculated complex potential was then derived in a groundwater velocity field, and after that in a formula connecting the position of the advancing front of the tracer plume to the time passed since the beginning of the injection. These new equations were then tested with numerical simulations. A two-dimensional aquifer plan was modeled and set in order to numerically realise particle tracking and advection-dispertion within a reasonable calculation time. This model enabled the proceeding of numerical tracer tests and the resulting time necessary to fully pump the tracer plume previously injected was compared to the one calculated with the new equations and the one calculated with former equations that neglected the impact of the presence of the well on the groundwater flow field. The results showed that the new equations are significantly more precise, in particular when the injection rate is sufficiently low compared to the natural regional flow rate, with a well diameter relatively large and in the vicinity of the injection well. Three different plume shapes could be visualized numerically, and those shapes depend on the value of a parameter � which compares the velocity component caused by the injection in the well and the component caused by the natural regional flow.


identifier: Pirie, S. (2020). Planification du transport dans un réseau hybride clients-succursales  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La livraison de marchandises est en enjeu important dans le développement des économies actuelles (Transport Canada, 2019). La demande pour le transport de marchandises ne cesse d'augmenter et le transport routier reste le moyen de transport le plus flexible afin de satisfaire cette demande. Néanmoins, le transport routier est responsable de 20,3% des émissions de gaz à effet de serre (GES) (Statistiques Canada, 2017) et les entreprises doivent s'adapter pour maintenir leur compétitivité tout en prenant en compte les externalités négatives liées à leurs opérations. Ce mémoire se concentre sur la planification du transport pour une société dont une partie des opérations consiste en la distribution de produits au Québec. Le réseau de distribution de l'entreprise est composé de succursales et de clients privés. La planification proposée se base sur l'étude de scénarios opérationnels basés sur différents paramètres (seuil de commande des clients, quantités commandées et fréquence de livraison notamment). L'ensemble de ce mémoire est divisé en plusieurs aspects. Le premier aspect couvert est la préparation de la base de données et des fichiers de traitement pour la création des tournées. Deuxièmement, un plan d'expérience complet sur 216 expériences est mis en place et les résultats obtenus sont présentés. Le plan d'expérience prend en compte des paramètres environnementaux (nombre de clients privés ou de succursales à livrer) et opérationnels (seuil de demande, quantité à livrer ainsi que la fréquence de livraison). Afin de pouvoir comparer les différents jeux de paramètres, des mesures de performance sont mises en place (marge de profit liée à la livraison, quantité de GES et distance totale parcourue). Les résultats obtenus par l'analyse des résultats du plan d'expérience démontrent que l'importance relative des paramètres opérationnels varie selon l'objectif poursuivi. Dans le cas où le planificateur cherche à minimiser la distance parcourue par la flotte de camions, aucun des paramètres opérationnels étudié ne démontre d'importance significative. Cependant l'étude de la composition des instances pour lesquelles la distance est minimisée retourne un profil de client distinct (seuil de commande compris entre 1400 et 1800 $), notamment composé d'un équilibre en succursales et clients privés, avec des tournées de véhicules marquées par un faible kilométrage (inférieures à 200 km) mais une haute densité de livraison. Dans le cas où l'objectif est de maximiser la marge de profit liée à la livraison, le paramètre prépondérant obtenu est la fréquence de livraison. On retire aussi de cette analyse que les clients qui maximisent la marge de profit de l'entreprise sont majoritairement situés dans des centres urbains et qu'il est préférable que ceux-ci présentent une fréquence de livraison moyenne plutôt que haute. En conclusion, plusieurs scénarios opérationnels sont développés afin d'aider à la prise de décisions. Le mémoire se conclut sur les limitations rencontrées par les outils mis en place et la méthodologie appliquée au long de cette étude.  ABSTRACT: Freight transportation has an important role to play in the growth of the economy (Transports Canada, 2019). Demand for freight transport continues to increase and freight transport by road remains the most flexible to satisfy this demand. Nevertheless, road transportation accounts for 20.3% of greenhouse gas (GHG) emissions (Statistics Canada, 2017) and companies must adapt to maintain their competitiveness while considering the negative externalities associated with their operations. This study focuses on transportation planning for a company whose operations include the distribution of products in the province of Quebec. The company's distribution network is composed of branches and private customers. The proposed planning is based on the study of operational scenarios based on different parameters (in particular: customer order threshold, order quantities and delivery frequency). The first aspect covered in the preparation of the database and processing files for the creation of tours. Then, a comprehensive design of experiment covering 216 experiments is implemented. The design of experiment takes into account parameters linked to the environment of the study (number of private and branch customers to deserve for example) and operational parameters (demand threshold, quantity to be delivered and delivery frequency). In order to be able to compare the different sets of parameters, some performance measures are considered, such as the total distance travelled, GHG emissions and the delivery profit margin. The results obtained by analysing the design of experiment show that the relative importance of the operational parameters varies according to the objective pursued. Where the planner seeks to minimize the distance travelled by the fleet, none of the operational parameters studied demonstrate a significant importance. However, the study of the composition of instances for which the distance is minimized yields a distinct customer profile. Branches and private clients are balanced inside the tour and those are marked a low mileage but a high delivery density. In the case for which the objective is to maximise the profit margin related to delivery, the overriding parameter obtained is the delivery frequency. This analysis also shows that customers who maximise the company's profit margin are mostly located in urban centers and that those with a medium frequency are preferable to those with a high delivery frequency. In conclusion, several operational scenarios are developed to help the decision makers. This study concludes with the limitations encountered by the different tools implemented and the methodologies applied.


identifier: Er-Rbib, S. (2020). Optimisation de roulements de chauffeurs d'autobus  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le problème de roulements de chauffeurs d'autobus vise à déterminer les horaires de travail des chauffeurs d'autobus sur un horizon donné. Il s'agit d'un problème où des séquences de jours de repos et de journées de travail sont construites. Les journées de travail sont générées lors de la résolution du problème de construction de journées de travail. Ce problème a pour objectif de générer des journées de travail anonymes afin d'assurer, à un coût minimum, la couverture complète des horaires d'autobus. Plusieurs règles doivent être respectées lors de la résolution, entre autres, l'amplitude maximale ou minimale d'une journée de travail, le temps maximal ou minimal de travail, etc. Lorsque les journées de travail sont déterminées, elles sont affectées aux différents chauffeurs disponibles et les roulements des chauffeurs sont construits à cette étape. Les journées de travail sont affectées en respectant un ensemble de règles dérivées des conventions collectives, et chaque journée de travail est effectuée par un chauffeur durant un jour de la semaine. Dans notre contexte, les roulements de chauffeurs d'autobus sont cycliques et définis sur une semaine pour un certain horizon de planification. Ainsi les journées de travail peuvent varier d'un jour à l'autre mais se répètent d'une semaine à une autre. Le problème de roulements avec jours de repos fixés vise à affecter les journées de travail aux différents chauffeurs dans les jours de travail (c'est-à-dire, les jours qui ne sont pas des jours de repos). Nous proposons, d'abord, une nouvelle formulation forte en nombres entiers du problème de roulements avec repos fixés. Les règles d'affectation des journées de travail sont diverses et compliquées, surtout qu'elles impliquent des contraintes de repos de nuit entre deux journées de travail et des contraintes qui s'étendent sur plusieurs jours et parfois sur plusieurs semaines. La fonction objectif vise à équilibrer le plus possible la charge de travail entre tous les chauffeurs. Ceci a été traduit par la minimisation des déviations positives par rapport à la moyenne des charges de travail totale par semaine de toutes les journées de travail. Différentes modélisations des contraintes de repos de nuit ont été proposées, ainsi qu'une deuxième formulation de la fonction objectif, mais qui vise aussi à équilibrer la charge de travail entre les chauffeurs d'autobus. Nous avons montré que la nouvelle formulation permet de reserrer l'espace de recherche lors du branchement, ce qui permet d'avoir des solutions entières plus rapidement. Ensuite, une approche est proposée pour résoudre le problème de roulements intégré de construction de jours de repos et d'affectation de journées de travail. Le problème est modélisé comme un programme linéaire mixte en nombres entiers. Étant donné que le problème ne contient pas de règles de quarts de travail ni de règles souples (des préférences par exemple), le problème présente beaucoup de symétrie. Le modèle s'est avéré très difficile à résoudre à l'optimalité avec le solveur commercial CPLEX malgré l'ajustement très poussé des paramètres et l'utilisation des méthodes avancées de programmation en nombres entiers (fixation de variables, branchement priorisé, ...). Sur la base de ce modèle, nous avons introduit une matheuristique à deux étapes qui permet de trouver des solutions de très bonne qualité. En utilisant une telle solution comme donnée d'entrée dans un solveur commercial, le modèle intégré peut être résolu beaucoup plus rapidement. Nos expériences de calcul testées sur des instances réelles de grande taille ont montré l'efficacité de la matheuristique. Des solutions optimales ont été obtenues dans des temps de calcul relativement courts (3.5 heures pour le cas impliquant jusqu'à 333 chauffeurs). En outre, en fournissant ces solutions comme solutions initiales au solveur CPLEX, de grandes accélérations (jusqu'à 99%) ont été obtenues pour résoudre le problème intégré avec une optimalité prouvée. L'article intitulé "Integrated and sequential solution methods for the cyclic bus driver rostering problem" traitant cet objectif a été publié dans la revue "Journal of the Operational Research Society" Finalement, nous avons intégré des règles relatives aux préférences des chauffeurs dans le modèle de roulements. Le nouveau modèle vise à affecter les journées de travail aux différents chauffeurs sur un horizon prédéfini, tout en respectant les règles strictes d'affectation, en équilibrant la charge de travail entre les chauffeurs et en minimisant le plus possible les violations des règles souples (les préférences). Deux nouvelles matheuristiques ont été proposées. La première limite l'espace de recherche en pré-assignant les journées de travail aux roulements avec des jours de repos fixés. La deuxième matheuristique utilise un problème de partitionnement d'ensemble pour décomposer les roulements de grande taille en sous-roulements de tailles petites à moyennes. Dans une série d'expériences de calcul menées sur des instances réelles, nous montrons que ces matheuristiques peuvent être utilisées pour produire des solutions de bonne qualité pour des grandes instances (333 chauffeurs et 1509 journées de travail) dans des temps de calcul relativement courts. L'article intitulé "Preference-based bus driver rostering problem with fixed days off" traitant cet objectif a été soumis à la revue "Public Transport"  ABSTRACT: The bus driver rostering problem aims at building the work schedules of bus drivers over a given period of time. Solving such problem results in sequences of days off and duties. The duties are constructed via the duty scheduling problem, which creates anonymous duties in order to ensure, at a minimum cost, complete coverage of a set of bus trips. Several rules must be respected while solving this problem, i.e. maximum or minimum span of a duty, maximum or minimum working time, etc. The resulting duties must then be assigned to the different available drivers, creating their rosters. This process complies with a set of rules derived from collective agreements. Every duty is performed by one driver on one day of the week. Here in this context, bus driver rosters are cyclic, and defined over a week for a certain planning horizon. Thus, duties may vary from a day to another, but they are repeated weekly. The rostering problem with fixed days off aims at assigning duties to drivers in working days. First, a new mixed integer formulation of the problem is proposed. The assignment rules are diverse and complicated, especially since they involve night rest constraints between two duties and constraints that are extended over several days, and sometimes over several weeks. The objective function is to balance the workload among all the drivers. This has been achieved by minimizing positive deviations from the average total workload per week. Furthermore, different formulations of the night rest constraints are presented, as well as, a second formulation of the objective function that minimizes the sum of the absolute values of the deviations from the average workload per week. It is shown that the first proposed formulation makes it possible to tighten the search space during the branch-and-bound process and, consequently, helps finding integer solutions more rapidly. Next, an approach is proposed to solve the integrated days off scheduling and rostering problem. First the problem is modeled as a mixed integer linear program. In this problem, there are no shifts, and therefore, no shift related rules that reduce the solution space, nor shift related preferences that can reduce symmetry in the branch-and-bound process and ease the search for integer solutions. This model turns out to be very hard to solve to optimality without providing an initial solution. Based on this model, we introduce a new two-step matheuristic that can compute high-quality solutions. Using such a solution as an input to a commercial solver, the integrated model can be solved much more rapidly. Our computational results obtained on real-world instances involving up to 333 drivers and 1509 duties show that these initial solutions are optimal in most cases and, consequently, that the proposed matheuristic is very efficient by itself. Finally, we integrated the bus driver preference rules to the rostering problem. The new model aims at assigning duties to different drivers over a predefined cyclic horizon, while respecting a set of rules (hard constraints), balancing the workload among the drivers and satisfying as much as possible the driver preferences (soft constraints). We first model the problem as a mixed integer linear program that minimizes the number of preference violations while maintaining the workload balance of the solutions within a certain margin relative to the optimal one. Since this model is hard to solve for large instances, we propose two new matheuristics. The first one restricts the search space by preassigning duties to rosters based on an optimal solution to the duty assignment problem with fixed days off. The second algorithm makes use of a set partitioning problem to decompose rosters consisting of a large number of positions into sub-rosters of smaller sizes. In a series of computational experiments conducted on real-world instances, we show that these matheuristics can be used to produce high-quality solutions for large instances of the problem, within short computational times.


identifier: Qin, J. (2020). Analytical and Experimental Evaluation of the Settlement and Volume Variation of Tailings Slurry Deposited in Containment Structures  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les résidus miniers sont des rejets de moulins de concentrateur, qui sont généralement déposés dans des parcs à résidus miniers en surface. En cas d'une gestion inappropriée, les résidus miniers peuvent entraîner des catastrophes à l'environnement et aux vies. L'utilisation des résidus miniers comme un matériau de remblai pour remplir les chantiers miniers souterrains permet de réduire la quantité des résidus miniers déposés en surface. En plus, le remblayage des chantiers souterrains permet d'améliorer la stabilité du terrain et augmenter la récupération du minerai. Lorsque les résidus miniers sont déposés dans les parcs à résidus miniers, leur volume peut diminuer en raison de la sédimentation, de la consolidation sous poids propre et du retrait par évaporation. Une estimation appropriée de la variation du volume des résidus miniers est nécessaire pour éviter le dépassement de la capacité de stockage conçue des parcs à résidus miniers. Les trois processus (la sédimentation, la consolidation sous poids propre et le retrait par évaporation) peuvent avoir lieu également au remblai en pulpe lors de sa déposition dans un chantier souterrain. La variation du volume de remblai doit être évaluée correctement pour assurer la stabilité des barricades et un contact serré entre le remblai et les toits des chantiers ou pour éviter de créer des espaces vides importants entre la surface du remblai et le plancher de galerie de niveau supérieur. Le principal objectif de ce mémoire est d'évaluer l'affaissement et la variation de volume des résidus miniers dans les parcs à résidus miniers ou des remblais en pulpes dans les chantiers souterrains. Afin d'atteindre l'objectif principal, une compréhension approfondie de la variation du volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe associée aux processus de la sédimentation, de la consolidation et du retrait par évaporation est nécessaire. La recherche bibliographique montre que pratiquement tous les travaux de recherche ont porté sur les études de la consolidation des résidus miniers ou des remblais en pulpe. Il y a peu de travaux portant sur la sédimentation. L'indice des vides à la transition entre la sédimentation et la consolidation est un paramètre critique, mais sa détermination reste encore inconnue. Dans ce mémoire, on a montré que la phase de retrait normal d'une courbe de retrait par évaporation est très similaire au processus de sédimentation. Ainsi, l'indice des vides au début de désaturation (correspondant à la valeur d'entrée d'air) eAEV sur la courbe de retrait est considéré comme identique à l'indice des vides critique à la fin de sédimentation ou au début de consolidation. Suite à ces analyses, deux solutions analytiques ont été proposées en considérant la variation de volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe associée aux processus de la sédimentation, de la consolidation et du retrait par évaporation. La première a été développée en considérant l'indice des vides final ef d'une courbe de retrait afin d'estimer l'affaissement ou la variation du volume des résidus miniers dans des parcs à résidus miniers dans des régions arides ou semi-arides. La deuxième a été formulée en utilisant l'indice des vides au début de désaturation eAEV et le coefficient de compression obtenu par un essai de consolidation standard pour évaluer l'affaissement ou la variation de volume des remblais en pulpe dans des chantiers souterrains ou des résidus miniers dans des parcs à résidus miniers dans des régions non-arides. Les deux solutions analytiques proposées ont été validées avec succès par des résultats expérimentaux obtenus par des essais au laboratoire en modèle physique. Les solutions proposées peuvent être utilisées pour calculer l'affaissement et la variation du volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe, au moins dans la phrase préliminaire d'un projet. L'application des solutions proposées pour évaluer l'affaissement ou la variation du volume des résidus miniers ou des remblais en pulpe nécessite de faire des essais de retrait par évaporation. Ce type d'essais est facile à réaliser et assez courant en mécanique des sols. On voit également quelques travaux d'essais au laboratoire pour obtenir les courbes de retrait des résidus miniers non cimentés. Pour le remblayage des chantiers souterrains, les remblais sont souvent cimentés. Ceci est particulièrement vrai pour les remblais en pâte. Or, la revue de littérature montre qu'il n'existe pas de travaux portant sur les essais de retrait par évaporation des remblais en pâtes cimentés. Pour combler cette lacune, une série d'essais de retrait par évaporation a été menée pour acquérir les courbes de retrait d'un remblai en pâte cimenté et non cimenté en considérant différentes teneurs en ciment et teneurs en eau initiales. Leur influence sur les paramètres de retrait, incluant l'indice des vides final ef, la limite de retrait ws, l'indice des vides (eAEV) et la teneur en eau (wAEV) au début de désaturation a également été étudiée. Les résultats indiquent que les valeurs de ces paramètres de retrait des remblais cimentés sont beaucoup plus élevées que celles des remblais non cimentés pour une teneur en eau initiale donnée. L'augmentation de la teneur en ciment de 3 à 7% entraîne une légère augmentation des valeurs de ces paramètres de retrait. Pour une teneur en ciment donnée, les valeurs des paramètres de retrait peuvent varier significativement avec la variation de la teneur en eau initiale. Les principaux résultats ont été présentés dans deux articles de revues soumis. Des résultats supplémentaires sur les essais de retrait par évaporation et sur les essais de consolidation sont présentés dans les annexes.  ABSTRACT: Tailings are mine wastes produced by milling process, which are conventionally deposited on ground surface in tailings storage facility (TSF). In case of inappropriate management, the surface disposal of tailings can lead to undesirable consequences to the environment and lives. In underground mines, the use of tailings as a filling material to fill underground mined stopes allows reduction of surface disposal of tailings. Stope backfilling also helps improve ground stability and increase ore recovery. When slurried tailings are deposited in a TSF, the volume of the tailings tends to diminish due to sedimentation, self-weight consolidation and shrinkage by evaporation. An accurate estimation of the volume change of deposited tailings is necessary to help better optimize the life cycle management. The three processes (sedimentation, self-weight consolidation and shrinkage by evaporation) also take place in backfill slurry, placed in underground mine stopes. The volume variation of the backfill slurry should be correctly evaluated to ensure the stability of barricade and to ensure a tight contact between backfill and stope roof or to avoid excess void space between the top surface of the backfill and the floor of over cut drift. The main objective of the thesis is to estimate the settlement and volume variation of tailings deposited in TSF or of backfill slurry in underground mine stopes. In order to reach the main objective, a comprehensive understanding of the volume change of tailings or backfill slurry associated with the processes of sedimentation, consolidation and shrinkage by evaporation is necessary. A literature review showed that the consolidation of tailings or backfill slurry has been largely investigated while the study on the sedimentation of tailings or backfill slurry is almost absent. The void ratio at the transition between sedimentation and consolidation is a critical parameter. Its determination however remains unknown. In this thesis, one shows that the normal shrinkage stage of shrinkage curve is very similar to the process of sedimentation. Thus, the unsaturation onset (i.e. air entry value) void ratio eAEV on the shrinkage curve can be considered as identical to the critical void ratio at the end of sedimentation or at the beginning of consolidation. Bases on the above analyses, two analytical solutions have been proposed by considering the volume change of tailings or backfill slurry associated with the processes of sedimentation, consolidation and shrinkage by evaporation. The first one was developed by considering the final void ratio ef of shrinkage curve in order to estimate the settlement or volume change of tailings deposited in a TSF in arid or semi-arid regions. The second one was formulated by using the unsaturation onset void ratio eAEV and the coefficient of compression obtained by standard consolidation test to evaluate the settlement or volume variation of backfill slurry placed in underground mine stopes or tailings deposited in a TSF in non arid regions. The two proposed analytical solutions have been successfully verified by experimental results obtained by physical model tests. The proposed solutions can thus be used to estimate the settlement and volume variation of tailings or backfill slurry, at least in the preliminary stage of a project. The application of the proposed solutions for evaluating the settlement or volume variation of tailings or backfill slurry requires to perform shrinkage tests. This type of tests is easy to do and quite common in soil mechanics. One sees a few works published on laboratory tests to obtain shrinkage curves of uncemented tailings. For underground mines, backfills are usually cemented. This is particularly true for paste backfill. The literature review however showed that there is no published work on shrinkage tests of cemented paste backfill. To fill this gap, a series of shrinkage tests has been performed to obtain the shrinkage curves of cemented and uncemented paste backfill by considering different cement contents and initial water contents. Their influence on the shrinkage parameters, including the final void ratio ef, shrinkage limit ws, unsaturation onset void ratio (eAEV) and water content (wAEV) has also been evaluated. The results indicate that the values of shrinkage parameters of cemented backfill are much higher than those of uncemented backfill at a given initial water content. An increase of cement content from 3 to 7% results in a slight increase in the values of shrinkage parameters. For a given cement content, the values of shrinkage parameters can significantly vary with the variation of initial water content. The principal results have been presented in two submitted journal papers. Additional results on shrinkage tests and consolidation tests are presented in the appendices.


identifier: Hashemi Noshahr, F. (2020). Analog Compressive Sensing for Multi-Channel Neural Recording: Modeling and Circuit Level Implementation  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans cette thèse, nous présentons la conception d'un implant d'enregistrement neuronal multicanaux avec un échantillonnage compressé mis en oeuvre avec un procédé de fabrication CMOS à 65 nm. La réduction de la technologie a˙ecte à la baisse les paramètres des amplificateurs neuronaux couplés en AC, comme la fréquence de coupure basse, en raison de l'e˙et de canal court des transistors MOS. Nous analysons la fréquence de coupure basse et nous constatons que l'origine de ce problème, dans les technologies avancées, est la diminution de l'impédance d'entrée de l'amplificateur opérationnel de transconductance (OTA) en raison de la fuite d'oxyde de grille à l'entrée des OTA. Nous proposons deux solutions pour réduire la fréquence de coupure basse sans augmenter la valeur des condensateurs de rétroaction de l'étage d'entrée. La première solution est appelée rétroaction positive croisée et la deuxième solution utilise des PMOS à oxyde épais dans la paire de l'entrée di˙érentielle de l'OTA. Il est à noter que pour compresser le signal neuronal, nous utilisons le CS dans le domaine analogique. Pour la réalisation, un intégrateur à capacité commutée est requis. Les paramètres non idéaux de l'OTA utilisé dans cet intégrateur, tels que le gain fini, la bande passante, la vitesse de balayage et le changement rapide de la sortie. Toutes ces imperfections induisent des erreurs et réduisent le rapport signal sur bruit (SNR) total. Nous avons simulé ces imperfections sur Matlab et Simulink pour définir les spécifications de l'OTA requis. Aussi, pour concevoir les circuits analogiques correspondant aux interfaces neuronales requises, tels qu'un amplificateur neuronal, une référence de tension compacte et à faible consommation d'énergie est requise. Nous avons proposé une référence de tension de faible consommation d'énergie sans utiliser le transistor bipolaire parasite de la technologie CMOS pour diminuer la surface de silicium requise. Finalement, nous avons complété l'encodeur de CS et un convertisseur analogique-numérique à approximation successive (SAR ADC) requis pour la chaine d'enregistrement des signaux neuronaux dans ce projet.  ABSTRACT: In this thesis we present the design of a multi-channel neural recording implant with analog compressive sensing (CS) in 65 nm process. Scaling down technology demotes the parameters of AC-coupled neural amplifiers, such as increasing the low-cuto˙ frequency due to the short-channel e˙ects of MOS transistors. We analyze the low-cuto˙ frequency and find that the main reason of this problem in advanced technologies is decreasing the input resistance of the operational transconductance amplifier (OTA) due to the gate oxide static current leakage in the input of the OTA. In advanced technologies, the gate oxide is thin and some electrons can penetrate to the channel and cause DC current leakage. We proposed two solutions to reduce the low-cuto˙ frequency without increasing the value of the feedback capacitors of the front-end neural amplifier. The first solution is called cross-coupled positive feedback, and the second solution is utilizing thick-oxide PMOS transistors in the input di˙erential pair of the OTA. Compress the neural signal, we utilized the CS method in analog domain. For its implementation, a switched-capacitor integrator is required. Non-ideal specifications of OTA of CS integrator such as finite gain, bandwidth, slew rate and output swing induce error and reduce the total signal to noise ratio (SNR). We simulated these non-idealities in Matlab and Simulink and extracted the specification of the required OTA. Also, to design analog circuits such as neural amplifier a low power and compact voltage reference is required. We implemented a low-power band-gap reference without utilizing parasitic bipolar transis-tor to decrease the silicon area. At the end, we completed the CS encoder and successive approximation architecture analog-to-digital converter (SAR ADC).


identifier: Nguyen, T. T. (2020). Étude des performances aérodynamiques par simulations numériques d'un concept d'aéronef à décollage et atterrissage vertical (VTOL) destiné à la mobilité urbaine  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'accélération du développement urbain entraîne plusieurs nouvelles contraintes en termes de transports. De nouvelles solutions doivent être trouvées pour résoudre ces problématiques. Les aéronefs à décollage et atterrissage vertical (VTOL) hybrides ou électriques viennent répondre à ces besoins en permettant de relier deux points efficacement et rapidement par la voie des airs. Un nouveau concept de VTOL avec des soufflantes carénées intégrées dans les ailes a été proposé. Ce dernier possède une architecture lift and cruise qui permet de découpler les systèmes de propulsion pour augmenter sa fiabilité. Cette étude a comme objectif d'analyser les performances aérodynamiques de ce concept à travers ses trois phases principales de vol : le décollage et l'atterrissage à la verticale, le vol de transition et le vol de croisière horizontal. Elles seront tirées à partir de simulations fluidiques numériques (CFD) basées sur le modèle du Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). La méthodologie employée afin de mettre en place ces calculs numériques sera présentée. On y retrouve entre autres la construction de la géométrie avec un logiciel de Computer-Aided Design (CAD), la définition du maillage, la modélisation de la poussée des soufflantes ainsi que le choix des conditions limites et des schémas numériques. Étant donné que des tests en soufflerie ne seront pas utilisés pour vérifier l'exactitude des résultats, la méthodologie sera d'abord appliquée sur un cas connu tiré de la littérature pour la valider. Les trois phases de vol seront par la suite simulées séparément. Dans un premier temps, les performances des soufflantes carénées en vol vertical seront étudiées. Il est estimé que la carène participe de façon importante à la poussée totale générée. Par la suite, une analyse des impacts des colonnes d'air créées pendant le vol transition sera faite. Finalement, les performances en vol de croisière seront étudiées par les coefficients de portance, de traînée et de moment de l'aéronef. Une étude de la stabilité sera également faite par la marge statique. Les résultats seront accompagnés par une phase de validation grâce aux différents critères comme la convergence, l'analyse des champs et l'étude de sensibilité au maillage. Des recommandations seront finalement données afin d'améliorer le concept et de pousser la recherche vers d'autres pistes.  ABSTRACT: The acceleration of urban sprawl brings new transport challenges. Innovative solutions have to be found to solve those problems. Vertical take-off and landing aircrafts are one of them as they let one connect two point quickly and efficiently by flight. A new VTOL concept in embedded ducted fans in  the wings has been proposed. It has a lift and cruise architecture that separates the propulsion systems to increase reliability. In this thesis, the aerodynamics performances will be investigated throughout the aircraft's three main flight phases : vertical take-off and landing, transition and cruise. They will be assessed using computational fluid dynamics (CFD) simulations based on the Reynolds-Averaged Navier-Stokes model. The methodology used to build the simulation will be presented. It will include the design of the geometry by a Computer-Aided Design (CAD) software, meshing of the geometry, modeling of the fan, election of boundary conditions and choice of numerical schemes. Wind tunnel testing will not be available for this research, so the methodology has to be validated on a known airfoil case found in the literature. Then, the three flight phases will be simulated separately. First, the effect of the duct on the overall vertical flight lift will be studied. It is estimated that the fan duct contributes greatly. Then, a transition study will look at the effect of the cross-flow coming out of the ducted fans. Finally, the cruise performance will be determined with the lift, drag and moment forces and coefficients. The simulations will be validated with a number of criteria including the residuals, the field studies and the mesh sensitivity studies. Recommendations will be made with the goal of advancing this study in the future and looking at its shortcomings.


identifier: Bouarab, A. F. (2020). Modélisation de la viscosité des mélanges binaires et ternaires de liquides ioniques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les liquides ioniques sont des sels avec un cation ou un anion organique, dont la température de fusion est typiquement inférieure à 100 °C. Ces liquides présentent de nombreux avantages par rapport aux solvants moléculaires organiques comme une faible tension de vapeur, et une bonne stabilité thermique et électrochimique. La variété des cations et des anions disponibles permet d'ajuster les propriétés d'un liquide ionique pour une application ciblée. Les mélanges de liquides ioniques augmentent le nombre de combinaisons possibles tout en étant plus simples à préparer.  ABSTRACT: Ionic liquids are salts with an organic cation or anion, whose melting temperature is typically below 100°C. These liquids have many advantages over organic molecular solvents such as low vapour pressure, and good thermal and electrochemical stability. The variety of cations and anions available makes it possible to adjust the properties of an ionic liquid for a targeted application. Mixtures of ionic liquids increase the number of possible combinations while being easier to prepare.


identifier: Trigui, A. (2020). Remote Powering and Data Communication Over a Single Inductive Link for Implantable Medical Devices  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les implants médicaux électroniques (Implantable Medical Devices - IMDs) sont notamment utilisés pour restaurer ou améliorer des fonctions perdues de certains organes. Ils sont capables de traiter des complications qui ne peuvent pas être guéries avec des médicaments ou par la chirurgie. Offrant des propriétés et des améliorations curatives sans précédent, les IMDs sont de plus en plus demandés par les médecins et les patients. En 2017, le marché mondial des IMD était évalué à 15,21 milliards de dollars. D'ici 2025, il devrait atteindre 30,42 mil-liards de dollars, soutenu par un taux de croissance annuel de 9,24% selon le nouveau rapport publié par Fior Markets. Cette expansion entraîne une augmentation des exigences pour as-surer des performances supérieures, des fonctionnalités supplémentaires et une durée de vie plus longue. Ces exigences ne peuvent être satisfaites qu'avec des techniques d'alimentation avancées, un débit de données élevé et une électronique miniaturisée robuste. Construire des systèmes capables de fournir toutes ces caractéristiques est l'objectif principal d'un grand nombre de chercheurs. Parmi plusieurs technologies sans fil, le lien inductif, qui consiste en une paire de bobines à couplage magnétique, est la technique sans fil la plus largement utilisée pour le transfert de puissance et de données. Cela est dû à sa simplicité, sa sécurité et sa capacité à transmettre à la fois de la puissance et des données de façon bidirectionnelle. Cependant, il existe encore un certain nombre de défis concernant la mise en œuvre d'un tel système de transfert d'énergie et de données sans fil (Wireless Power and Data Transfer - WPDT system). Un défi majeur est que les exigences pour une efficacité de transfert d'énergie élevée et pour une communication à haut débit sont contradictoires. En fait, la bande passante doit être élargie pour des débits de données élevés, mais réduite pour une transmission efficace de l'énergie. Un autre grand défi consiste à réaliser un démodulateur fonctionnant à haute vitesse avec une mise en œuvre simple et une consommation d'énergie ultra-faible. Dans ce projet, nous proposons et expérimentons un nouveau système WPDT dédié aux IMD permettant une communication à haute vitesse et une alimentation efficace tout en maintenant une faible consommation d'énergie, une petite surface de silicium et une mise en œuvre simple du récepteur. Le système proposé est basé sur un nouveau schéma de modulation appelé "Carrier Width Modulation (CWM)", ainsi que sur des circuits de modulation et de démodulation inédits. La modulation consiste en un coupe-circuit synchronisé du réservoir LC primaire pendant un ou deux cycles en fonction des données transmises.  ABSTRACT: Implantable Medical Devices (IMDs) are electronic implants notably used to restore or en-hance lost organ functions. They may treat complications that cannot be cured with medica-tion or through surgery. O˙ering unprecedented healing properties and enhancements, IMDs are increasingly requested by physicians and patients. In 2017, the worldwide IMD market was valued at USD 15,21 Billion. By 2025, it is expected to attain USD 30.42 Billion sus-tained by a compound annual growth rate of 9.24% according to a recent report published by Fior Markets. This expansion is bringing-up more demand for higher performance, additional features, and longer device lifespan and autonomy. These requirements can only be achieved with advanced power sources, high-data rates, and robust miniaturized electronics. Building systems able to provide all these characteristics is the main goal of many researchers. Among several wireless technologies, the inductive link, which consists of a magnetically-coupled pair of coils, is the most widely used wireless technique for both power and data transfer. This is due to its simplicity, safety, and ability to provide simultaneously both power and bidirectional data transfer to the implant. However there are still a number of challenges regarding the implementation of such Wireless Power and Data Transfer (WPDT) systems. One main challenge is that the requirements for high Power Transfer Eÿciency (PTE) and for high-data rate communication are contra-dictory. In fact, the bandwidth needs to be widened for high data rates, but narrowed for eÿcient power delivery. Another big challenge is to implement a high-speed demodulator with simple implementation and ultra-low power consumption. In this project, we propose and experiment a new WPDT system dedicated to IMDs allow-ing high-speed communication and eÿcient power delivery, while maintaining a low power consumption, small silicon area, and simple implementation of the receiver. The proposed system is based on a new Carrier Width Modulation (CWM) scheme, as well as novel modu-lation and demodulation circuits. The modulation consists of a synchronized opening of the primary LC tank for one or two cycles according to the transmitted data. Unlike conventional modulation techniques, the data rate of the proposed CWM modulation is not limited by the quality factors of the primary and secondary coils. On the other hand, the proposed CWM demodulator allows higher-speed demodulation and simple implementation, unlike conven-tional demodulators for a similar modulation scheme. It also o˙ers a wide range of data rates under any selected frequency from 10 to 31 MHz.