identifier: Taing, É. (2014). Influence des mélanges complexes organiques sur le sort des dioxines et furanes : implications dans le développement de facteurs de caractérisation en analyse du cycle de vie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les dioxines et furanes ou polychlorodibenzo-p-dioxines et -furanes (PCDD/Fs) s'échappant des poteaux en bois traités à l'huile au pentachlorophénol (PCP) ont un devenir environnemental modifié par l'huile. Les interactions entre co-contaminants, qui existent pour de multiples autres polluants contenus dans des mélanges, ont été montrées dans des contextes spécifiques d'analyse de risque mais n'ont jamais été intégrées pour des contextes plus génériques comme celui de l'Analyse du Cycle de Vie (ACV). Cet outil d'aide à la décision fait appel à des Facteurs de Caractérisation (FC) afin d'estimer les impacts potentiels d'une quantité émise d'un polluant dans diverses catégories d'impacts comme l'écotoxicité aquatique ou la toxicité humaine. Or pour ces deux catégories d'impact par exemple, les FC sont calculés à partir d'une chaine de cause à effet modélisant le devenir environnemental, l'exposition et les effets du polluant (chacune des étapes étant représentée respectivement par une matrice de devenir FF, d'exposition XF, et d'effet EF), ce qui veut dire qu'une modification du devenir des PCDD/Fs par l'huile au PCP engendre nécessairement une modification de leurs FC.  Ainsi, la question de recherche est la suivante : « En Analyse du Cycle de Vie des Impacts (ACVI), dans quelles proportions les impacts potentiels des PCDD/Fs pour l'écotoxicité aquatique et pour la toxicité humaine changeront-ils lorsque l'influence d'un mélange complexe organique sur leur devenir est prise en compte? » L'objectif principal du projet est donc de développer des FC pour les PCDD/Fs quand leur devenir dans l'environnement est influencé par l'huile au PCP afin de les comparer avec les FC des PCDD/Fs sans huile au PCP pour les catégories d'impact écotoxicité aquatique et toxicité humaine. Pour ce faire, il s'agira tout d'abord de proposer une approche mathématique afin de représenter la nouvelle distribution environnementale des PCDD/Fs en présence de l'huile, puis à partir de cette nouvelle distribution, une nouvelle matrice FF' des PCDD/Fs est calculée pour obtenir ces nouveaux FC'. Les FF' et FC' sont alors comparés aux FF et FC des PCDD/Fs sans huile. Finalement, les impacts potentiels (éco)toxiques des émissions canadiennes de PCDD/Fs sont calculés avec l'utilisation des nouveaux FC' des PCDD/Fs en présence de l'huile au PCP. D'une part, le 2,3,7,8-TCDD a été choisi comme proxy pour représenter les PCDD/Fs contenus dans le PCP et d'autre part, 17 fractions organiques issues de la littérature ont été choisies pour représenter l'huile. La modélisation de la nouvelle répartition du 2,3,7,8-TCDD avec l'huile s'est basée sur les résultats de la littérature qui indiquent que les PCDD/Fs ont une très forte affinité pour l'huile de telle sorte qu'ils sont transportés dans son devenir jusqu'à sa dégradation quand ils se retrouvent ensemble dans le sol. Du fait de la très forte lipophilicité des PCDD/Fs, ce comportement de vecteur transport de l'huile a alors été extrapolé pour tous les compartiments environnementaux. L'approche se divise en deux étapes : à la première étape, le 2,3,7,8-TCDD suit exactement la distribution environnementale de l'huile, et une fraction de 2,3,7,8-TCDD s'élimine avec l'huile, tandis qu'à la deuxième étape, la fraction de 2,3,7,8-TCDD non éliminée se redistribue dans l'environnement sans la présence de l'huile avant de s'éliminer ultimement. Le modèle multimédia USEtox permet de savoir comment le 2,3,7,8-TCDD (sans huile) et chacune des fractions organiques se répartissent dans l'environnement. À chaque étape, il est possible de connaitre la fraction de 2,3,7,8-TCDD qui a été éliminée des compartiments environnementaux que ce soit par un mécanisme d'enlèvement (lixiviation, transfert vers la stratosphère, sédimentation) qui fait sortir le polluant du système ou par un mécanisme de dégradation. On définit alors D'TCDD,i,j la fraction totale d'élimination du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile pour une émission dans i et une réception et une élimination dans j, soit la somme des fractions de 2,3,7,8-TCDD éliminées aux deux étapes. En déterminant D'TCDD, il est possible d'en déduire la nouvelle matrice de devenir FF'TCDD du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile. Ce projet négligeant toute influence de l'huile sur l'exposition et les effets du 2,3,7,8-TCDD, la multiplication des matrices FF', XF et EF (ces deux dernières étant données par USEtox pour le 2,3,7,8-TCDD sans huile) permet de déterminer les FC' du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile pour les catégories d'impact écotoxicité aquatique et toxicité humaine. L'approche est appliquée au 2,3,7,8-TCDD pour chacune des 17 fractions organiques influentes en les considérant séparément les unes des autres. Une analyse de sensibilité sur la base de deux scénarios a ensuite été proposée afin de tester l'influence des hypothèses de modélisation les moins robustes en proposant des hypothèses possiblement plus proches de la réalité d'après la littérature. Le premier scénario concerne la cinétique de dégradation du 2,3,7,8-TCDD en présence d'huile puisque des études ont montré qu'elle pouvait changer lorsque les PCDD/Fs se retrouvaient dans des solvants organiques alors que le modèle de base ne tient pas compte de cette influence de l'huile sur la cinétique de biodégradation faute de données disponibles pour quantifier l'ampleur de cette influence. Les constantes de dégradation du 2,3,7,8-TCDD dans l'air et dans l'eau ont donc été augmentées de 50% tandis que celle dans le sol a été diminuée de 50%. Le deuxième scénario s'intéresse à l'entrainement du 2,3,7,8-TCDD vers l'air par l'huile car les résultats montrent que ce mécanisme est non négligeable selon le modèle, mais la littérature ne permet ni de confirmer ni d'infirmer que ce mécanisme a bel et bien lieu dans les faits. Les constantes de transfert des compartiments non-aériens vers les compartiments aériens des fractions organiques ont alors été divisées par deux afin de simuler un moindre entrainement des PCDD/Fs par les fractions organiques. Les FC engendrés par ces scénarios sont comparés à ceux du scénario avec les hypothèses par défaut. La démarche proposée avec les hypothèses par défaut a ensuite été réappliquée au 1,2,3,6,7,8-HexaCDD, une dioxine présente dans le PCP, afin de s'assurer de la cohérence du choix du 2,3,7,8-TCDD comme proxy. Finalement, ces nouveaux FC' du 2,3,7,8-TCDD tenant compte de l'influence de l'huile ont été appliqués à l'inventaire des émissions de PCDD/Fs du Canada en 2001 comme cas d'application. Ainsi, si on ne s'intéresse qu'à une émission dans l'air, l'eau douce et le sol naturel à l'échelle continentale, les fractions totales d'élimination du 2,3,7,8-TCDD change significativement. Dans les trois cas, on remarque une augmentation du pourcentage de 2,3,7,8-TCDD se transférant et s'éliminant dans l'air continental du fait de l'entrainement par les fractions organiques vers ce compartiment : pour une émission dans l'air continental, les fractions organiques augmentent la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD s'éliminant dans l'air continental de 29% à 49% au plus. Pour une émission dans l'eau douce continentale, le devenir du 2,3,7,8-TCDD est influencé par deux groupes de fractions organiques: les plus légères qui se volatilisent vers l'air continental – la fraction totale d'élimination du 2,3,7,8-TCDD dans le compartiment d'air continental passant de 2% à 35% –, et les plus lourdes qui dans le compartiment d'émission s'enlèvent principalement par sédimentation – augmentant la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD s'éliminant dans l'eau douce continentale de 87% à 96% au plus. Enfin pour une émission dans le sol naturel, seules les fractions aliphatiques et les oléfines augmentent la fraction totale de 2,3,7,8-TCDD s'éliminant dans l'air continental (jusqu'à 28%) au détriment des 99% de 2,3,7,8-TCDD censés s'éliminer dans le sol naturel quand l'huile est absente. Pour une même fraction organique influençant le devenir du 2,3,7,8-TCDD, les FC'tox et FC'eco du 2,3,7,8-TCDD en présence de l'huile pour une émission dans l'eau douce continentale sont les plus élevés (jusqu'à 1,2E+07 PAF.m3.j/kg et 227 cas/kg respectivement) alors que ceux pour une émission dans le sol naturel continental sont les moins élevés (respectivement 5,3E+04 PAF.m3.j/kg et 24,3 cas/kg). Les résultats du premier scénario indiquent une diminution de l'ordre de -20% des FC' du 2,3,7,8-TCDD en présence de l‘huile par rapport aux FC' du scénario par défaut pour toute émission. Le deuxième scénario engendre des changements non significatifs pour une émission dans l'air continental, mais une augmentation de 20% en moyenne de tous les FC' pour une émission dans l'eau douce continentale et une diminution de l'ordre de -25% pour une émission dans le sol naturel continental comparé aux FC' du scénario par défaut. L'application de la démarche sur le 1,2,3,6,7,8-HexaCDD donne des résultats similaires dans la variation des fractions totales d'élimination et des FC avec l'intégration de l'huile en comparaison avec les variations pour le 2,3,7,8-TCDD. Cela étant, si les variations des FC suivent les mêmes tendances (augmentation des FC pour une émission dans le sol naturel continental par exemple), la plus faible volatilité du 1,2,3,6,7,8-HexaCDD entraine des ratios plus élevés entre les FC' intégrant l'influence de l'huile et les FC sans huile. Enfin, la variation des impacts potentiels en écotoxicité aquatique et en toxicité humaine des émissions de PCDD/Fs au Canada en 2001 à l'aide des FC du 2,3,7,8-TCDD sans huile et des FC' du 2,3,7,8-TCDD avec huile est négligeable car la variation des FC ne vient pas contrebalancer la faible contribution des poteaux traités au PCP dans les émissions globaux de PCDD/Fs.  Ainsi une approche a été proposée pour reproduire le comportement de vecteur transport de l'huile vis-à-vis des PCDD/Fs. Les impacts potentiels des PCDD/Fs en présence d'huile en écotoxicité aquatique et en toxicité humaine changent jusqu'à deux ordres de grandeur dépendamment du compartiment émetteur (excepté l'eau de mer et l'océan). Le 2,3,7,8-TCDD étant l'un des polluants les plus toxiques, ces changements sont significatifs en ACV. Pour analyser la validité des résultats du modèle, il est recommandé de mener des expériences en laboratoire sur la volatilisation des PCDD/Fs avec l'huile. Par ailleurs, il peut être intéressant d'intégrer l'influence du PCP sur le devenir des PCDD/Fs, mais aussi l'influence de tout contaminant sur l'exposition et ses effets. Afin de rendre les FC' utilisables, il faudrait alors pondérer d'un côté les 17 FC' pour l'écotoxicité aquatique et d'un autre côté les 17 FC' pour la toxicité humaine pour avoir un unique FC pour chacune des deux catégories d'impact, mais la méconnaissance et la variabilité de la composition de l‘huile rendent difficile cette pondération. Faute de mieux, il est suggéré de faire une moyenne arithmétique des FC'. Finalement, il est possible de refaire cette démarche pour d'autres polluants connus pour être transportés par un mélange complexe organique afin d'avoir une caractérisation plus juste de leurs impacts.  ABSTRACT: The environmental fate of dioxins and furans, or polychlorodibenzo-p-dioxins and -furans (PCDD/Fs), leaching from wood poles treated with pentachlorophenol (PCP) oil is modified by the presence of oil. Interactions between co-contaminants, which also exist for other pollutants within the mixtures, were shown in the specific context of risk analysis, but have never been taken into account for the generic context of life cycle assessment (LCA). This decision-making tool relies on characterization factors (CF) to estimate the potential impacts of an emitted amount of a pollutant in different impact categories such as aquatic ecotoxicity and human toxicity. For these two impact categories, CFs are calculated from a cause-effect chain that models the environmental fate, exposure and effects of the pollutant (represented by a matrix of fate FF, exposure XF and effect EF, respectively), meaning that a modification of PCDD/Fs fate induces a change in PCDD/Fs CFs. The research question is therefore as follows: In life cycle impact assessment (LCIA), to what extent would the potential impacts of PCDD/Fs on aquatic ecotoxicity and human toxicity change when taking into account the influence of a complex organic mixture on PCDD/Fs fate? Thus, the main objective is to develop CFs of PCDD/Fs when their fate is influenced by PCP oil and compare them with the CFs of PCDD/Fs without oil for the aquatic ecotoxicity and human toxicity impact categories. A mathematic approach is established to determine the new environmental distribution of PCDD/Fs in the presence of oil and a new FF' matrix is calculated from this new distribution to obtain new CFs' integrating oil influence. FF' and CF' are then compared to FF and CF of PCDD/Fs without the oil. Finally, potential (eco)toxic impacts of the PCDD/F Canadian emissions are calculated with the new CFs' of PCDD/Fs in presence of oil. First, 2,3,7,8-TCDD is selected as a proxy to represent the PCDD/Fs contained in the PCP, and 17 organic fractions from the literature are chosen to represent the oil. The approach is based on a literature review that indicated that, due to their strong affinity for oil, PCDD/Fs are carried by the oil until oil degradation in the soil. The carrier behaviour of the oil is extrapolated to all environmental compartments. The approach is divided into two steps: in the first step, 2,3,7,8-TCDD follows exactly the oil distribution, and a fraction of 2,3,7,8-TCDD is eliminated with the oil, and in the second step, the fraction of non-eliminated 2,3,7,8-TCDD redistributes in the environment without the oil before being eliminated ultimately. The USEtox multimedia model is used to assess the environmental distribution of 2,3,7,8-TCDD (without the oil) and of the organic fractions. At each step, it is possible to determine the fraction of 2,3,7,8-TCDD eliminated in each compartment by removal (which takes the pollutant out of the system: lixiviation, transfer to stratosphere or sedimentation) or degradation mechanisms. Thus, D'TCDD,i,j is defined as the overall elimination fraction of 2,3,7,8-TCDD emitted in i and eliminated (removed or degraded) in j, meaning the sum of the fractions of 2,3,7,8-TCDD eliminated in the two steps. By determining the D'TCDD matrix, it is possible to calculate the new fate factor FF'TCDD matrix of 2,3,7,8-TCDD in presence of oil. This project does not take into account the influence of the oil on PCDD/Fs exposure and effects, so FF' is multiplied by XF and EF (all from USEtox for 2,3,7,8-TCDD without oil) to obtain the CF' of 2,3,7,8-TCDD in the presence of oil for the aquatic ecotoxicity and human toxicity impact categories. The approach is applied to each influencing organic fraction, since they are considered independently. Two scenarios were then created to test assumptions that better reflect reality based on the literature review. The first scenario changes the 2,3,7,8-TCDD degradation kinetics in the presence of oil since studies showed they could be modified when PCDD/Fs are in organic solvents while the default model does not take into account this influence of oil on biodegradation kinetic because of a lack of data to quantify this influence. The 2,3,7,8-TCDD degradation constants in air and water have been raised by 50% and the degradation constant in soil has been decreased by 50%. The second scenario sets a transfer constant that is 50% lower from non-aerial to aerial compartments to model a lower transfer of 2,3,7,8-TCDD into air via the organic fractions because the results indicated that the transfer of 2,3,7,8-TCDD to air appears to be non-negligible and PCDD/Fs are known to have low volatility, and no study supports or invalidates the assumption that oil also behaves as a carrier for transfers into air. CF from these two scenarios were compared to those of the scenario with the default assumptions. The approach with the default assumptions was then applied to 1,2,3,6,7,8-HexaCDD, a dioxin contained in PCP, to assess the consistency of the choice of proxy. The new FCs' of 2,3,7,8-TCDD accounting for the influence of the oil are applied to the Canadian PCDD/F emissions inventory of 2001 as a case study. By only focusing on the results for an emission into air, freshwater and natural soil on a continental scale, the overall elimination fractions of 2,3,7,8-TCDD changed significantly. For the three emissions, organic fractions increased the overall elimination fraction of 2,3,7,8-TCDD into the continental air compartment, induced by a higher volatility of organic fractions than 2,3,7,8-TCDD: for an emission into continental air, organic fractions increased the overall elimination fraction of 2,3,7,8-TCDD in the continental air from 29% to 49% at most. For an emission into continental freshwater, 2,3,7,8-TCDD fate was mainly influenced by two groups of organic fractions: the lightest ones that volatilize into continental air (overall elimination fraction of 2,3,7,8-TCDD increasing from 2% to 35%) and the heaviest ones that are removed by sedimentation (DTCDD,fwC,fwC from 87% up to 96%). For an emission into natural soil, only aliphatic and sulfur compound fractions increased the overall elimination fraction of 2,3,7,8-TCDD transferring into continental air (up to 28%) and decreased the overall elimination fraction of 2,3,7,8-TCDD staying in the natural soil. For a same organic fraction influencing 2,3,7,8-TCDD fate, CF'eco and CF'tox of 2,3,7,8-TCDD for an emission into continental freshwater were still the highest ones (respectively 1,2E+07 PAF.m3.d/kg and 227 cases/kg at most), whereas those for an emission into continental natural soil are the lowest ones (5,3E+04 PAF.m3.d/kg and 24,3 cases/kg at most). For an emission into continental air, the presence of oil slightly diminished the CF of 2,3,7,8-TCDD for the aquatic ecotoxicity impact category (÷1.7 at most) and slightly increased the CF for the human toxicity impact category (x1.5 at most). The assumptions of the first scenario induced a decrease of around -20% of all CFs' of the emission compartments as compared to the CFs' of the default scenario. The second scenario led to minor changes for an emission into continental air, an increase of approximately 20% in both CFs' for an emission into continental freshwater and a decrease of some -25% in both CFs' for an emission into continental natural soil, as compared to the default scenario. The application of the approach to 1,2,3,6,7,8-HexaCDD yielded certain similarities with 2,3,7,8-TCDD in the changes of overall elimination fractions and CF when integrating oil influence (e.g. both CFs for emission into continental natural soil increased). But the lower volatility of 1,2,3,6,7,8-HexaCDD induced a higher ratio than for 2,3,7,8-TCDD between CF' with oil influence and CF without. The potential aquatic ecotoxicity and human toxicity impacts of PCDD/Fs emitted in Canada in 2001 varied very little with the new CFs' of 2,3,7,8-TCDD with the oil and the CF of the 2,3,7,8-TCDD without the oil because the variation in the CF, when taking oil influence into account, does not overbalance the low contribution of the treated poles to the overall PCDD/Fs emissions. However, the contribution of poles to the ecotoxic and toxic impacts of PCDD/F emissions into soil increased from 47% to over 90% when integrating oil influence. Therefore, an approach has been proposed to represent the carrier behaviour of the oil for PCDD/Fs. PCDD/F potential impacts in aquatic ecotoxicity and human toxicity change in a range up to two orders of magnitude depending on the emitting compartment (except for the seawater and ocean compartments). As 2,3,7,8-TCDD is one of the most toxic pollutant, this changing is significant in LCA. To assess the validity of the model's result, it is recommended to carry out laboratory experiments on the PCDD/F volatilization with oil. In addition, it could be interesting to integrate the influence of PCP on PCDD/Fs fate and, more broadly, the influence of all co-contaminants on PCDD/Fs exposure and effects. Moreover having a unique CFeco and CFtox via a weighting of the 17 CF'eco and the 17 CF'tox, respectively, is necessary for a use in LCA. Unfortunately the variability of the composition makes the weighting difficult, so it is suggested to calculate the mean CF'eco and CF'tox. Finally this research could be carried out on other pollutants whose fate is known to be modified by a complex organic mixture in an effort to ensure that impact characterization better reflects reality.


identifier: Ashrafi, F. (2014). Delay of Rotating Stall in Compressors Using Plasma Actuation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Le décrochage tournant est une instabilité aérodynamique des compresseurs qui est bien connue et qui limite l‘enveloppe d‘opération des turbines à gaz de moteurs d‘avion. Une méthode innovatrice avait été proposée pour supprimer le type d‘initiation le plus commun au décrochage tournant en utilisant un actionneur plasma DBD annulaire. Un actionneur plasma DBD est un dispositif simple sans pièces mobiles qui convertit l‘électricité directement en accélération de l‘écoulement via l‘ionisation partielle de l‘air. Cependant, le concept proposé n‘avait été évalué que de façon préliminaire via de simples simulations numériques d‘un rotor axial isolé avec un code CFD rudimentaire. Ce projet fait une évaluation expérimentale ainsi que numérique de ce concept pour un étage de compresseur axial et un étage de compresseur centrifuge, tous deux faisant partie d‘un banc d‘essai de compresseur bi-étagé axial-centrifuge à basse vitesse. Les deux configurations étudiées sont la configuration bi-étagé avec un actionneur plasma annulaire de 100 mN/m placé sur le carter juste en amont du bord d‘attaque du rotor axial, et une configuration avec un seul étage de compresseur centrifuge dans lequel le même actionneur est placé juste en amont du bord d‘attaque de l‘impulseur. Les configurations testées furent simulées avec un code RANS CFD commercial sophistiqué (ANSYS CFX) dans lequel furent intégrés le plus récent modèle d‘ingénierie de l‘actionneur DBD ainsi qu‘une condition de sortie dynamique, sur des domaines de calcul multi-étagé à un passage d‘aube. Les mesures expérimentales montrent que l‘actionneur plasma DBD annulaire sur le carter réduit le débit massique du dernier point d‘opération stable (point de décrochage tournant) de 19.28% pour l‘étage de compresseur axial et de 28.39% pour l‘étage de compresseur centrifuge pour lequel l‘impulseur était la source du décrochage tournant. Les simulations numériques indiquent que pour les deux types de compresseurs l‘actionneur retarde le décrochage tournant en poussant l‘interface entre l‘écoulement d‘entrée et l‘écoulement de jeu d‘aube en aval vers l‘intérieur du passage d‘aube. Dans chaque cas, le pourcentage prédit par CFD de la réduction du débit massique du point de décrochage tournant concorde assez bien avec la valeur mesurée.  ABSTRACT: Rotating stall is a well-known aerodynamic instability in compressors that limits the operating envelope of aircraft gas turbine engines. An innovative method for suppressing the most common form of rotating stall inception using an annular DBD plasma actuator had been proposed. A DBD plasma actuator is a simple solid-state device that converts electricity directly into flow acceleration through partial air ionization. However, the proposed concept had only been preliminarily evaluated with simple numerical simulations on an isolated axial rotor using a relatively basic CFD code. The current project provides both an experimental and a numerical assessment of this concept for an axial compressor stage as well as centrifugal compressor stage that are both part of a low-speed two-stage axial-centrifugal compressor test rig. The two configuration studied are the two-stage configuration with a 100 mN/m annular casing plasma actuator placed just upstream of the axial rotor leading edge, and the single-stage centrifugal compressor with the same actuator placed upstream of the impeller leading edge. The tested configuration were simulated with a sophisticated commercial RANS CFD code (ANSYS CFX) in which was implemented the latest engineering DBD plasma model and dynamic throttle boundary condition, using single-passage multiple blade row computational domains. The experiments show that the casing plasma actuator reduces the mass flow of the last stable point (stall point) by 19.28% for the axial compressor stage and 28.39% for the centrifugal compressor stage for which the impeller is the source of rotating stall. The CFD simulations indicate that in both types of compressors the actuator delays the stall inception by pushing the incoming/tip clearance flow interface downstream into the blade passage. In each case, the predicted percentage reduction in stalling mass flow matches the experimental value reasonably well. However, the CFD simulations over-predicts the mass flow of the stall point as well as the pressure rise of the centrifugal stage and under-predict the pressure rise of the axial stage. The main factors for the difference are likely slight discrepancies between the simulated and actual axial rotor blade geometry deformation and the inability of the simulation tool to accurately capture the total pressure loss in the hub region of the vaneless diffuser.


identifier: McSorley, G. (2014). A Novel Approach to Product Lifecycle Management and Engineering Based on Product In-Use Information  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évolution du marché pour les produits électromécaniques complexes a entraîné un intérêt croissant à la fois des fabricants et des chercheurs dans les produits et services intégrés (IPS). Cela a abouti à une reconnaissance de la nécessité de mieux comprendre les relations entre le développement d'un produit et les activités souvent coûteuses fois de soutien (c'est à dire d'entretien et de réparation) nécessaire pour maintenir sa fonctionnalité plus tard dans la vie du produit. En particulier, il est nécessaire de soutenir les activités de concepteurs grâce à la réutilisation des informations du cycle de vie concernant les fonctionnalités et la performance du produit. Divers outils de gestion de l'information ont été mis en place afin de soutenir le développement de produits, y compris les outils de gestion de données produit (PDM), la gestion des processus de fabrication (MPM) et la gestion de cycle de vie de produit (PLM). Cependant, la plupart du progrès accomplis se concentre encore sur les premières étapes du cycle de vie du produit, dont la conception et la fabrication en particulier. En conséquence, les informations concernant l'évolution du comportement du produit plus tard dans le cycle de vie restent difficiles à gérer. Cette situation est aggravée par le fait que la plupart des modèles PLM continuent d'être axées sur la structure du produit. Bien que ces modèles puissent fournir des représentations robustes des aspects spatiaux du cycle de vie du produit, elles restent limitées dans leur capacité à rapporter la définition physique du produit avec les aspects temporels et comportementaux du cycle de vie du produit. La recherche actuelle s'appuie sur des travaux antérieurs indiquant que les essais et la mise en service peuvent fournir des indications importantes à propos du comportement du produit. Alors que dans le passé ces types d'information ont été traités de façon indépendante, la recherche présente vise à démontrer que la combinaison de ces différents types d'information est possible dans ce que l'auteur qualifie l'information de « produit en cours d'utilisation ». Cette dernière est définie comme « l'ensemble d'information recueillie tout au long du cycle de vie concernant le performance du produit en cours d'utilisation. » Il est proposé que cette information puisse fournir un soutien important pour les concepteurs dans leurs tentatives de réduire les coûts futurs du cycle de vie et développer des produits plus fiables.  ABSTRACT: A changing marketplace for complex electromechanical products has resulted in an increased interest from both manufacturers and researchers in Integrated Products and Services (IPS). This has led to an acknowledgement of the need to better understand the relationship between the development of a product and the often times costly sustainment activities (e.g. maintenance and repair) required to maintain its functionality in the latter stages of the lifecycle. In particular, there is a need to support designers' activities through the reuse of product lifecycle information concerning product functionality and performance. Various information management tools have been introduced in order to support product development, including Product Data Management (PDM), Manufacturing Process Management (MPM), and Product Lifecycle Management (PLM) tools. However, most advances still focus on the early stages of the product lifecycle, in particular design and manufacturing. As a result, information regarding the evolution of product behaviour later in the lifecycle remains difficult to manage. This is compounded by the fact that most PLM models continue to be centered on the product's structure. While these models can provide robust representations of the spatial aspects of the product lifecycle, they remain limited in their ability to relate the physical definition of the product with the temporal and behavioural aspects of the product lifecycle. The current research builds on previous work indicating that both testing and in-service information can provide important insights into product behaviour. While in the past these information types have been treated independently, the current research seeks to demonstrate that a combination of these different information types is feasible within what the author has termed “Product In-Use” information. The latter is defined as “all information collected throughout the lifecycle concerning product performance during use.” It is proposed that this information can provide important support to designers in their attempts to reduce future lifecycle costs and develop more reliable products. This research therefore also seeks to extend current models to support the structuring, representation and communication of product in-use information.


identifier: Ezzati Jivan, N. (2014). Multi-Level Trace Abstraction, Linking and Display  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Certains types de problèmes logiciels et de bogues ne peuvent être identifiées et résolus que lors de l'analyse de l'exécution des applications. L'analyse d'exécution (et le débogage) des systèmes parallèles et distribués est très difficile en utilisant uniquement le code source et les autres artefacts logiciels statiques. L'analyse dynamique par trace d'exécution est de plus en plus utilisée pour étudier le comportement d'un système. Les traces d'exécution contiennent généralement une grande quantité d'information sur l'exécution du système, par exemple quel processus/module interagit avec quels autres processus/modules, ou encore quel fichier est touché par celui-ci, et ainsi de suite. Les traces au niveau du système d'exploitation sont un des types de données des plus utiles et efficaces qui peuvent être utilisés pour détecter des problèmes d'exécution complexes. En effet, ils contiennent généralement des informations détaillées sur la communication inter-processus, sur l'utilisation de la mémoire, le système de fichiers, les appels système, la couche réseau, les blocs de disque, etc. Cette information peut être utilisée pour raisonner sur le comportement d'exécution du système et investiguer les bogues ainsi que les problèmes d'exécution. D'un autre côté, les traces d'exécution peuvent rapidement avoir une très grande taille en peu de temps à cause de la grande quantité d'information qu'elles contiennent. De plus, les traces contiennent généralement des données de bas niveau (appels système, interruptions, etc ) pour lesquelles l'analyse et la compréhension du contexte requièrent des connaissances poussées dans le domaine des systèmes d'exploitation. Très souvent, les administrateurs système et analystes préfèrent des données de plus haut niveau pour avoir une idée plus générale du comportement du système, contrairement aux traces noyau dont le niveau d'abstraction est très bas. Pour pouvoir générer efficacement des analyses de plus haut niveau, il est nécessaire de développer des algorithmes et des outils efficaces pour analyser les traces noyau et mettre en évidence les événements les plus pertinents. Le caractère expressif des événements de trace permet aux analystes de raisonner sur l'exécution du système à des niveaux plus élevés, pour découvrir le sens de l'exécution différents endroits, et détecter les comportements problématiques et inattendus. Toutefois, pour permettre une telle analyse, un outil de visualisation supplémentaire est nécessaire pour afficher les événements abstraits à de plus hauts niveaux d'abstraction. Cet outil peut permettre aux utilisateurs de voir une liste des problèmes détectés, de les suivre dans les couches de plus bas niveau (ex. directement dans la trace détaillée) et éventuellement de découvrir les raisons des problèmes détectés. Dans cette thèse, un cadre d'application est présenté pour relever ces défis : réduire la taille d'une trace ainsi que sa complexité, générer plusieurs niveaux d'événements abstraits pour les organiser d'une facon hiérarchique et les visualiser à de multiples niveaux, et enfin permettre aux utilisateurs d'effectuer une analyse verticale et à plusieurs niveaux d'abstraction, conduisant à une meilleure connaissance et compréhension de l'exécution du système. Le cadre d'application proposé est étudié en deux grandes parties : d'abord plusieurs niveaux d'abstraction de trace, et ensuite l'organisation de la trace à plusieurs niveaux et sa visualisation. La première partie traite des techniques utilisées pour les données de trace abstraites en utilisant soit les traces des événements contenus, un ensemble prédéfini de paramètres et de mesures, ou une structure basée l'abstraction pour extraire les ressources impliquées dans le système. La deuxième partie, en revanche, indique l'organisation hiérarchique des événements abstraits générés, l'établissement de liens entre les événements connexes, et enfin la visualisation en utilisant une vue de la chronologie avec échelle ajustable. Cette vue affiche les événements à différents niveaux de granularité, et permet une navigation hiérarchique à travers différentes couches d'événements de trace, en soutenant la mise a l'échelle sémantique. Grâce à cet outil, les utilisateurs peuvent tout d'abord avoir un aperçu de l'exécution, contenant un ensemble de comportements de haut niveau, puis peuvent se déplacer dans la vue et se concentrer sur une zone d'intérêt pour obtenir plus de détails sur celle-ci. L'outil proposé synchronise et coordonne les différents niveaux de la vue en établissant des liens entre les données, structurellement ou sémantiquement. La liaison structurelle utilise la délimitation par estampilles de temps des événements pour lier les données, tandis que le second utilise une pré-analyse des événements de trace pour trouver la pertinence entre eux ainsi que pour les lier. Lier les événements relie les informations de différentes couches qui appartiennent théoriquement à la même procédure ou spécifient le même comportement. Avec l'utilisation de la liaison de la correspondance, des événements dans une couche peuvent être analysés par rapport aux événements et aux informations disponibles dans d'autres couches, ce qui conduit à une analyse à plusieurs niveaux et la compréhension de l'exécution du système sous-jacent. Les exemples et les résultats expérimentaux des techniques d'abstraction et de visualisation proposés sont présentes dans cette thèse qui prouve l'efficacité de l'approche. Dans ce projet, toutes les évaluations et les expériences ont été menées sur la base des événements de trace au niveau du système d'exploitation recueillies par le traceur Linux Trace Toolkit Next Generation ( LTTng ). LTTng est un outil libre, léger et à faible impact qui fournit des informations d'exécution détaillées à partir des différents modules du système sous-jacent, tant au niveau du noyau Linux que de l'espace utilisateur. LTTng fonctionne en instrumentant le noyau et les applications utilisateur en insérant quelques points de traces à des endroits différents.  ABSTRACT: Some problems and bugs can only be identified and resolved using runtime application behavior analysis. Runtime analysis of multi-threaded and distributed systems is very difficult, almost impossible, by only analyzing the source code and other static software artifacts. Therefore, dynamic analysis through execution traces is increasingly used to study system runtime behavior. Execution traces usually contain large amounts of valuable information about the system execution, e.g., which process/module interacts with which other processes/modules, which file is touched by which process/module, which function is called by which process/module/function and so on. Operating system level traces are among the most useful and effective information sources that can be used to detect complex bugs and problems. Indeed, they contain detailed information about inter-process communication, memory usage, file system, system calls, networking, disk blocks, etc. This information can be used to understand the system runtime behavior, and to identify a large class of bugs, problems, and misbehavior. However, execution traces may become large, even within a few seconds or minutes of execution, making the analysis difficult. Moreover, traces are often filled with low-level data (system calls, interrupts, etc.) so that people need a complete understanding of the domain knowledge to analyze these data. It is often preferable for analysts to look at relatively abstract and high-level events, which are more readable and representative than the original trace data, and reveal the same behavior but at higher levels of granularity. However, to achieve such high-level data, effective algorithms and tools must be developed to process trace events, remove less important ones, highlight only necessary data, generalize trace events, and finally aggregate and group similar and related events. The expressive nature of the synthetic events allows analysts to reason about system execution at higher levels, to uncover execution behavior in different areas, and detect its problematic and unexpected aspects. However, to allow such analysis, an additional visualization tool may be required to display abstract events at different levels and explore them easily. This tool may enable users to see a list of detected problems, follow the problems in the detailed levels (e.g., within the raw trace events), analyze, and possibly discover the reasons for the detected problems. In this thesis, a framework is presented to address those challenges: to reduce the execution trace size and complexity, to generate several levels of abstract events, to organize the data in a hierarchy, to visualize them at multiple levels, and finally to enable users to perform a top-down and multiscale analysis over trace data, leading to a better understanding and comprehension of underlying system execution. The proposed framework is studied in two major parts: multi-level trace abstraction, and multi-level trace organization and visualization. The first part discusses the techniques used to abstract out trace data using either the trace events content, a predefined set of metrics and measures, or structure-based abstraction to extract the resources involved in the system execution. The second part determines the hierarchical organization of the generated abstract events, establishes links between the related events, and finally visualizes events using a zoomable timeline view. This view displays the events at different granularity levels, and enables a hierarchical navigation through different layers of trace events by supporting the semantic zooming. Using this tool, users can first see an overview of the execution, and then can pan around the view, and focus and zoom on any area of interest for more details and insight. The proposed view synchronizes and coordinates the different view levels by establishing links between data, structurally or semantically. The structural linking uses bounding times-tamps of the events to link the data, while the latter uses a pre-analysis of the trace events to find their relevance, and to link them together. Establishing Links connects the information that are conceptually related together ( e.g., events belong to the same process or specify the same behavior), so that events in one layer can be analyzed with respect to events and information in other layers, leading to a multi-level analysis and a better comprehension of the underlying system execution. In this project, all evaluations and experiments were conducted on operating system level traces obtained with the Linux Trace Toolkit Next Generation (LTTng). LTTng is a lightweight and low-impact open source tracing tool that provides valuable runtime information from the various modules of the underlying system at both the Linux kernel and user-space levels. LTTng works by instrumenting the (kernel and user-space) applications, with statically inserted tracepoints, and by generating log entries at runtime each time a tracepoint is hit.


identifier: Maisonneuve, M. (2014). Analyse polarimétrique de transductions optiques de surface pour applications en biodétection  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les biocapteurs sont actuellement des outils de plus en plus utilisés dans diverses applications telles que l'analyse moléculaire pour la recherche et l'industrie pharmaceutique, le contrôle environnemental dans l'industrie agroalimentaire et surtout dans la détection de marqueurs biologiques pour le diagnostic de maladie ou de cancer. Les technologies utilisant les transductions optiques de surface prennent de plus en plus d'espace dans ces domaines, car elles amènent plusieurs avantages : rapidité de la mesure, sensibilité à l'échelle moléculaire, possibilité de miniaturisation, et sans modification de la substance à étudier (fluorophore ou autres types de marqueurs)… Cependant, elles sont peu présentes dans le domaine médical du fait de leurs méconnaissances et qu'elles peuvent présenter certaines restrictions d'un point de vue de la sensibilité et de la gamme dynamique, ainsi qu'en matière de multiplexage. Le propos de cette thèse est l'élaboration de biocapteurs à analyse polarimétrique basés sur des transductions optiques de surface telles que la réflexion totale interne ou les phénomènes plasmoniques; afin de proposer une plateforme permettant la détection de marqueurs pour une application biomédicale ou biochimique spécifique. Cette plateforme devra présenter les conditions nécessaires quant à la limite de détection, la gamme dynamique et le multiplexage nécessaire à ce type de test. Le choix de la polarimétrie a été motivé par le fait que les méthodes de mesure de la polarisation et de la phase sont stables et présentent de faibles niveaux de bruits. Elles reposent sur l'analyse comparative entre deux polarisations orthogonales d'un même faisceau. Cela permet un autoréférencement de la mesure et une immunisation contre le bruit environnemental (dont les variations en température, en pression...). Cette propriété propre à l'étude polarimétrique permet de concevoir des instruments de meilleure résolution et donc d'obtenir une meilleure limite de détection. Du choix de la polarimétrie découle le choix des transductions optiques de surface, qui présentent généralement une asymétrie dans leurs réponses entre deux polarisations orthogonales. Dans un premier temps, une étude bibliographique a permis de sélectionner plusieurs transductions optiques de surface présentant les meilleures capacités en matière de sensibilité. La première est le cas de la réflexion totale interne où les polarisations parallèles et perpendiculaires au plan d'incidence présentent des réponses différentes lors d'un évènement biologique (dépôt de molécule sur une surface, changement de solution).  ABSTRACT: Biosensors are currently tools increasingly used in diverse applications such as molecular analysis for academic research and pharmaceutical industry, environmental monitoring in the food industry, and also in the detection of biomarkers for disease diagnosis or cancer. Technologies using surface photonic transduction for bio - detection are taking more space because they bring several advantages such as speed measurement, sensitivity at the molecular level, possibility of miniaturization, label free (fluorophore or other types of markers) ... However, they are not used in medical applications as they are unrecognized and they could present some limitations in terms of sensitivity and dynamic range, as well as multiplexing. The purpose of this thesis is the development of biosensors with polarimetric analysis based on optical transduction occurring at surfaces, such as total internal reflection or plasmonic phenomena; in order to provide a platform for the detection of a specific marker for biomedical application. The proposed platform will must present sufficient limit of detection, dynamic range and multiplexing required for this type of test. Choice of polarimetry is motivated by the fact that these methods for measuring polarization and phase are stable and present low level of noise. They are based on the comparative analysis between two orthogonal polarizations of a same beam. This permits a self-referencing measurement and immunization against environmental noise (temperature, pressure). These properties enable the design of instruments with better resolution and thus a better detection limit. Choice of surface photonic transductions is driven by the use of polarimetry. They typically have an asymmetry in their responses between two orthogonal polarizations. Initially, a literature study is performed to select multiple optical transductions occurring at surfaces with the best capabilities for leukemia detection. In the case of total internal reflection, parallel and perpendicular polarizations to plane incidence have different response during a biological event (molecule deposition on a surface, changes in solution). The surface plasmon resonance and the nanoplasmonics (with a nanostructure grating) affect only one polarization after a biological event, leaving the other one inert and suitable for use as a reference. Finally, these three transductions are selected because they all have sensitivity and dynamic range that can meet the needs of the proposed measurement.


identifier: Zabarjad Shiraz, M. (2014). Determination of Galloping for Non-Circular Cross-Section Cylinders  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le galop en translation et en torsion d'en cylindres différentes de sections à de faible valeurs du nombre de Reynolds est étudié par le biais de simulations bidimensionnelles. Une formulation par éléments finis spécialement conçue pour les interactions fluide-structure été utilisée. Les équations de Navier-Stokes pour un écoulement de fluide incompressible et les équations du mouvement de le structure sont résolues de maniére fortement couplé. La performance d'un critère quasi-stationnaire visant à prédire le galop est également évaluée sur la base de simulations autour de cylindres fixes pour différents angles d'attaque. L'amortissement et l'inertie induits par l'écoulement sont calculée à partir d'oscillations forcées en rotation. Enfin, la réponse angulaire libre de cylindres rigides montés sur ressorts en torsion est obtenue à partir de simulations d'interaction fluide-structure. Les résultats pour le galop en translation montrent que les prédictions obtenu àes partir du critère quasi-stationnaire sont en très bon accord avec les résultats d'interactions fluide-structure directs. Les résultats en de torsion montrent par contre que le modéle quasi-stationnaire surprédit les zones d'instabilités dynamique.  ABSTRACT: The occurrence of translational and torsional galloping for a square cylinder and of a generic bundle are assessed at low Reynolds number through two-dimensional simulations. A finite element formulation specifically designed for fluid-structure interactions has been used. Incompressible Navier-Stokes equations for fluid flow and structural motion equations are solved in a fully coupled manner. A quasi-steady criterion for predicting galloping is also evaluated based on flow simulations around fixed cylinders for various angles of attack. The flow-induced damping and inertia coefficients of torsional galloping are calculated from a forced rotational oscillation model. Finally, the free angular response of rigid cylinders mounted in cross-flow are obtained from fully coupled fluid-structure simulations. Results for the translational motion of a bundle show that the prediction of quasi-steady criterion are in a very good agreement with direct fluid structure interaction results. Results for the torsional case show that fixed and forced rotations of the cylinders are able to predict quite well the static deflection angles and instability ranges respectively.


identifier: Assi, K. C. (2014). Modélisation physique des tissus mous du tronc scoliotique pour la simulation de l'apparence post-chirurgicale  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique de l'adolescence (SIA) est une déformation tridimensionnelle complexe de la colonne vertébrale et de la cage thoracique. Dans le cas de déformation sévère, le recours à la chirurgie correctrice de la colonne vertébrale est requis comme moyen de traitement. Environ un patient sur mille atteint de SIA aura à subir une chirurgie correctrice de la colonne vertébrale. Cependant, dans la plupart des cas, une correction optimale de la colonne vertébrale n'entraine pas nécessairement une correction optimale de l'apparence externe. Une asymétrie du tronc peut persister à l'issue de la chirurgie et cela est difficile à prédire par les chirurgiens. Cela est problématique, car l'apparence externe est un facteur important de satisfaction pour les patients. Il serait intéressant de disposer d'outils d'assistance à la planification de chirurgie pour la scoliose prenant en compte les attentes du patient concernant l'esthétique de l'apparence du tronc.  La simulation médicale sur ordinateur est devenue un outil important d'assistance à la prise de décision clinique. Elle est utilisée pour permettre de prédire et analyser les effets de traitements médicaux, ainsi que la prédiction de changements anatomiques dus à l'évolution d'une pathologie. Dans le contexte de la chirurgie pour la scoliose, des simulateurs de chirurgie correctrice de la colonne vertébrale existent. Des modèles biomécaniques pour la simulation de l'instrumentation de la colonne vertébrale en chirurgie de la scoliose ont été développés par différents chercheurs. Toutefois, ceux-ci ne prédisent pas la forme externe du tronc après chirurgie. De cet état des choses, découle la problématique et les objectifs de cette thèse: modéliser le tronc scoliotique en vue de la simulation de la forme postopératoire du tronc, et améliorer la précision des prédictions afin de proposer une stratégie opératoire optimale. La question de recherche abordée dans cette thèse concerne le développement de méthodes pour la simulation et la prédiction de la forme post-opératoire du tronc en chirurgie pour la scoliose. Quatre objectifs spécifiques de recherche ont été définis. La première partie du travail (traitant du premier objectif) a consisté à développer un modèle physique de déformation pour le tronc scoliotique. Contrairement au modèle existant, un nouveau modèle physique de déformation incrémentale est proposé pour tenir compte des grandes déformations du tronc. L'inspection qualitative des surfaces de tronc simulées et réelles montre une bonne approximation de la correction de la gibbosité. L'évaluation quantitative de la simulation est basée sur l'indice de rotation de la surface du dos (indice BSR). Il se définit comme l'angle formé par la double tangente du côté postérieur de chaque section horizontale de la surface du tronc et l'axe passant par les épines iliaques antéro-supérieures (ASIS) projeté sur le plan frontal. Les valeurs d'indices BSR, mesurées à différents niveaux vertébraux, montrent une erreur moyenne de 1.20º (± 0.73) à 3.20º (± 0.83) dans la région thoracique, indiquant un accord entre les troncs prédits et les données réelles. La deuxième partie (regroupant les trois autres objectifs spécifiques) a consisté à améliorer la précision des prédictions. Nous proposons deux méthodes de détermination de formes à priori de tronc postopératoire (soit basé sur une prédiction statistique, soit basé sur une prédiction de type proche voisin). Ces outils exploitent l'intuition de choisir la restriction du champ de déplacement à la frontière du domaine du tronc (la surface externe) comme une première approximation de la déformation du tronc.  La réalisation des objectifs de cette recherche est à l'origine de contributions originales à l'état de l'art aussi bien en simulation physique de tissus mous qu'en apprentissage machine pour l'analyse de formes. Ce projet propose une nouvelle méthode de modélisation des déformations de tissus mous du tronc scoliotique pour la simulation de l'apparence postopératoire. Cette méthode présente, ainsi, l'avantage de constituer un outil pour les systèmes de planification par ordinateur de traitement chirurgical de la scoliose. En perspective, des études complémentaires sont suggérées pour surmonter certaines limitations des méthodes proposées. En particulier, l'incorporation d'un modèle du tronc obtenu par une fusion multimodale d'images (IRM/RX/TOPO) de patients scoliotiques, pour une meilleure personnalisation géométrique, devrait conduire à une amélioration de la précision de la simulation.  ABSTRACT: Adolescent Idiopathic scoliosis (AIS) is a complex three-dimensional deformation of the spine and rib cage. In case of severe spine deformity, a spine surgery is required as a treatment. Approximately one in a thousand patients suffering from AIS will have a spine surgery. However, in most cases, an optimal correction of the spine does not necessarily results in an optimal correction of the external appearance. A trunk asymmetry may persist after surgery and it is difficult to predict by surgeons. This is problematic because the external appearance is one of the most important factor for the patient satisfaction. It would be interesting to have available computer based scoliosis surgery planning assistance tools that takes into account the expectation of the patient regarding the aesthetics of the trunk appearance. Computer based medical simulation is becoming an important tool to support clinical decision making. It is used to predict and analyze the effects of treatments, as well as the predictions of changes due to pathology evolution. In the context of scoliosis surgery, spine correction surgery simulators exist. Biomechanical models for the simulation of the spine instrumentation in scoliosis surgery have been developed by different researchers. However, they do not simulate the postoperative appearance of the trunk. From this observation arise the problem and objectives of this thesis: modeling the scoliotic trunk in order to simulate the postoperative trunk shape, and improve predictions accuracy in order to propose an optimal surgery strategy.  The research question of this thesis concerns the development of methods for the simulation and the prediction of the trunk postoperative shape in scoliosis surgery. Four research objectives have been defined. The first part of this work (dealing with the first objective) consisted in developing a physically based deformation model of the scoliotic trunk. Unlike the existing model, a novel incremental approach is proposed to take into account large deformations of the trunk. The qualitative visual inspection of the simulated and actual trunk surfaces show a good approximation of the correction of the rib hump. The quantitative evaluation of the simulation is based on the back surface rotation index (BSR index). It is defined as the angle formed by the dual tangent to the posterior side of each section of the trunk surface and the axis passing through the patient's anterior superior iliac spines (ASIS), projected onto the axial plane. The BSR indices, measured at different vertebral levels, shows an average error in the range of 1.20º (± 0.73) to 3.20º (± 0.83$) in the thoracic region, indicating a good agreement between the predicted and actual trunk surfaces. The second part (dealing with the remaining three objectives) addressed the prediction accuracy improvement. In this regard, two tools have been developed: one for predicting 3D trunk shapes based on a statistical approach, and the other being a prediction tool based on nearest neighbor methods. These tools make use of the intuition of choosing the restriction of the displacement field on the trunk domain boundary (the external surface) as a first approximation of the trunk deformation.   The achievement of the research objectives has resulted in original contributions to the state of the art in physical simulation of soft tissues as well as in machine learning for shape analysis. This project proposes a novel method for modeling scoliotic trunk soft tissue deformation for the simulation of the postoperative appearance. This method has, thus, the advantage of being a potential tool for computer based scoliosis surgery planning systems. As perspectives, further research studies may be suggested in order to overcome the limitations of the proposed methods. In particular, the incorporation of a trunk model obtained from a multimodal image fusion (MRI / RX / TOPO) for a better personalization of the physical constants may lead to the improvement of the simulation accuracy.


identifier: Najarzadeh, Z. (2014). Control and Optimization of Sealing Layer in Films  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le scellage à chaud est un procédé qui permet de sceller hermétiquement un emballage en appliquant de la chaleur et de la pression sur deux films de polymère pendant un temps spécifique (temps de scellage). Le scellage à chaud est utilisé dans le domaine de l'emballage pour une vaste gamme d'applications, et en particulier dans le domaine de l'emballage alimentaire. Depuis les vingt dernières années, les équipements de scellage à chaud fonctionnent sur les lignes de production, à très hautes vitesses, ce qui requiert des conditions de procédé et d'optimisation des matériaux. Les paramètres du scellage à chaud, tels que la température, le temps de scellage, la pression ainsi que les caractéristiques du matériau du film tels que le poids moléculaire, la distribution en poids moléculaire et la présence de petites et de longues ramifications de chaînes sont des facteurs clés pour contrôler la qualité finale de la zone scellée. Dans la première partie de cette étude, les relations existantes entre les paramètres du procédé de scellage à chaud et la résistance de l'interface ainsi que les mécanismes ont été étudiés. Au cours du procédé de scellage, les effets de la température, de la pression et du temps de scellage sur la force de scellage du LLDPE sont très importants. Ils ont été illustrés par une carte 3D ‘temps-température' et ‘pression-température', une méthode qui est facilement applicable à d'autres systèmes. Les mécanismes d'adhésion des polymères semi-cristallins étant mal connus, nous avons donc étudié le comportement en adhésion du LLDPE, un polymère semi-cristallin. Les résultats montrent que la dépendance ‘temps-température' de la force d'adhésion est une conséquence de la disponibilité d'une certaine fraction de la phase amorphe du polymère à l'interface du film. La force d'adhésion suit une corrélation linéaire avec la racine carrée du temps de scellage ce qui est également confirmé par les modèles de soudure. La pente de cette corrélation linéaire augmente avec la température. Par la suite, ce travail met en concurrence les deux principales approches d'analyse du comportement des chaînes du polymère : le point de vue microscopique basé sur la théorie de reptation, et le point de vue macroscopique basé sur une analyse des propriétés du polymère dans son volume. Les mécanismes de rupture et les deux surfaces pelées ont également été analysés après pelage. De plus, la topographie et la morphologie des surfaces pelées, qui ont été scellées auparavant avec différentes conditions de scellage ont été étudiées à l'aide des techniques d'AFM et SEM. Dans le cas d'une rupture des liens, la propagation la rupture génère de nombreuses fibrilles très orientées dans le sens de la rupture sur la surface du pelage. Les fibrilles étaient visibles en AFM et au SEM sur les surfaces pelées qui avaient été scellées à basses températures. Pour les spécimens scellés à plus hautes températures, la morphologie fibrillaire se développe en fibrilles plus épaisses et plus larges. Ce comportement est une conséquence d'un meilleur mouillage et interdiffusion des chaînes à hautes températures. Les paramètres de rugosité ont été comparés et agissent comme représentants du degré d'interdiffusion des molécules et d'aire de contact de la surface du film. Augmenter la température de scellage résulte en une surface plus rugueuse ce qui témoigne d'une meilleure diffusion moléculaire. Dans la deuxième partie de ce travail, le rôle de l'architecture moléculaire du polymère sur l'auto adhésion interfaciale à des températures supérieures à la température de fusion (appelé hot tack) a été étudié. Le poids moléculaire (Mw), la distribution en poids moléculaire (MWD), le nombre et la distribution de longues ramifications (LCB) et de courtes ramifications (SCB) le long des chaînes de polyéthylène sont autant de paramètres moléculaires étudiés. Cette analyse révèle une corrélation linéaire positive entre la force d'adhésion et le poids moléculaire pour des polyéthylènes métallocènes. De plus, la même corrélation est observée pour la viscosité élongationnelle transitoire ce qui met l'emphase sur le rôle de la force en fondue dans l'obtention d'une bonne force d'adhésion. Cependant l'augmentation de la présence de longues chaînes de ramification ainsi que l'augmentation de leur nombre réduisent la force d'adhésion. Les copolymères métallocènes catalysés éthylène α-oléfine ont généré une force d'adhésion supérieure à celle des polyéthylènes conventionnels et ceci est expliqué par une composition des chaînes plus homogènes pour les premiers. Enfin, il a été déterminé que la force interfaciale d'auto-adhésion était le premier facteur influençant l'interdiffusion des chaînes à travers la surface et, ensuite, la force en fondue du polymère. Finalement, dans la dernière partie de ce travail, les mélanges de polyéthylènes avec des architectures de chaînes différentes ont été étudiés. La force d'adhésion et la dépendance à la température pour des mélanges binaires de polyéthylènes métallocènes catalysés éthylène α-oléfine et de polyéthylène conventionnels, de différentes compositions, ont été analysées. Il a été observé que le niveau d'amélioration de la force d'adhésion dépend fortement de l'architecture moléculaire et des longues ramifications de chaînes. Les polymères étudiés exhibent un plateau aux hautes forces d'adhésion pour une certaine plage de température. Ce plateau est appelé ‘fenêtre de température au plateau' (plateau temperature window). Notre étude a montré que la largeur de ce plateau est corrélée avec l'aire sous la courbe ‘contrainte-élongation' obtenue grâce aux expériences de rhéologie. Il est donc suggéré qu'une plus grande ténacité du matériau en fondue résulte en un plateau de force d'adhésion plus large.  ABSTRACT: Heat sealing is the process to achieve the hermetic closure of a package by applying heat and pressure on two polymer films for a specified dwell time. The heat sealing process has been used in packaging of a wide spectrum of products, in particular for food packaging. During the past two decades, heat sealing machinery has been developed for very high speed line production which requires very precise process condition and material optimization. Heat seal process conditions, including temperature, dwell time, and pressure as well as film characteristics such as molecular weight, molecular weight distribution, long and short chain branching are the key factors that control the final quality of the joint.  In the first part of this study, we have investigated the interrelated influence of heat seal process parameters on the strengthening of the interface as well as the micro mechanisms involved. The effects of heat seal temperature, pressure, and dwell time on seal strength of LLDPE were illustrated in “time-temperature” and “pressure-temperature” 3D maps, a methodology that is easily applicable to other systems. The interfacial adhesion of semicrystalline polymers was not well understood. We thus studied the adhesion behaviour of LLDPE as a semicrystalline polymer. The results indicated that the time and temperature dependence of seal strength is a consequence of the fraction of amorphous phase available at the interface of films. The seal strength had a linear correlation with the square root of sealing time which was also supported by the welding models. The slope of this linear correlation increased with temperature. This work was followed concurrently by two main approaches: analysis of polymer chain behaviour from microscopic point of view based on reptation theory and conventional macroscopic analysis based on bulk properties of the polymer. Failure mechanisms and fractured surfaces were also analyzed after peeling. Moreover, the topography and morphology of peeled surfaces, which were sealed at different heat seal conditions, were investigated by AFM and SEM. In the debonding failure mode, the crack propagation caused numerous highly oriented fractured craze fibrils on the peeled surfaces. The fractured fibrils were visible in AFM and SEM peeled surfaces of samples sealed at low temperatures. In specimens sealed at higher temperature the fibrillar morphology developed into thicker and larger fibrils. This behaviour was a result of better wetting and interdiffusion by increasing temperature. We also utilized the comparative roughness parameters as representatives of the level of film surfaces' contact area and molecular interdiffusion. Increasing the seal temperature resulted in rougher surfaces which indicated the improved diffusion.  In the second part of this work, we investigated the role of molecular architecture of the seal polymer in interfacial self-adhesion at temperatures higher than melting point i.e. hot tack. The analyzed molecular structures include molecular weight (Mw), molecular weight distribution (MWD), amount and distribution of long chain branch (LCB) and short chain branch (SCB) distribution among and along polyethylene chains. Our analysis revealed a positive linear correlation between seal strength and molecular weight for linear metallocene polyethylene. Furthermore, the same relation was observed for elongational transient viscosity emphasizing the role of melt strength in adhesion strength. However, the presence of long chain branching and increasing the long chain branch content reduced the adhesion strength. We explained the superior adhesion strength of metallocene catalyzed ethylene α-olefin copolymers compared to conventional polyethylene resins based on the homogenous composition distribution of their chains. Finally, we argued that the interfacial self-adhesion strength was primarily the outcome of chain interdiffusion across the interface and then the melt strength of the polymer. In the last part of this work, we focused on the blends of polyethylene resins with different chain architectures. The dependency of adhesion strength on temperature for binary blends of metallocene catalyzed ethylene α-olefins and conventional polyethylene resins were analyzed for a range of different compositions. We found that the level of improvement in adhesion strength depended on the molecular architecture and long chain branching. The polymer shows a plateau of its highest adhesion strength for a range of temperature, called plateau temperature window. Our findings indicated that the plateau broadness was correlated with the area under stress-strain curve of extensional rheological measurements. We thus suggested that the higher melt toughness can result in a broader plateau of adhesion strength.


identifier: Shahverdi-Shahraki, K. (2014). Development of Pet/Kaolin Nanocomposites with Improved Mechanical Properties  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le polyéthylène téréphtalate (PET) est un polymère essentiel utilisé dans plusieurs industries dont le textile et l'emballage. En ce qui concerne l'impact économique et environnemental des matériaux polymères d'emballage, il y a une grande demande pour le développement des systèmes d'emballage de poids réduits. D'un autre côté, les faibles propriétés mécaniques et barrières sont les principaux inconvénients de ces systèmes d'emballage. En dépit des nombreuses études menées sur les performances barrières et mécaniques des composites PET-argile, peu d'améliorations ont été apportées. Dans cette étude, l'influence de l'ajout de kaolin comme un autre type de matériau argileux sur la performance du PET sera étudiée.  La première partie de ce travail porte sur le traitement chimique des particules de kaolin hydraté. Compte tenu de la structure chimique spécifique du kaolin, les agents de modification conventionnels tels que les alkyles d'aluminium qui sont largement employés, tels que dans des argiles de type smectite, ne sont pas applicables dans le cas du kaolin. Comme le nanocomposite final PET-kaolin est censé être en contact direct avec l'aliment, la toxicité des agents de modification est un autre défi à prendre en considération. L'agent de modification doit également être thermiquement stable à la température de traitement du PET. Éventuellement, l'acétate de potassium (KAc) et le diméthylsulfoxyde (DMSO) ont été choisis pour le traitement chimique des particules et leur influence sur la structure et les propriétés physicochimiques des particules a été étudiée. Dans la deuxième partie, un procédé de déplacement a été appliqué. Le précurseur produit dans la première partie a été mélangé avec du poly(éthylène oxyde) (PEO) dans un mélangeur interne pour donner un mélange-maître PEO-kaolin hautement concentré. Ce dernier a été dilué avec du PET dans une extrudeuse bi-vis pour produire les nanocomposites finaux. Les résultats de la diffraction des rayons-X ont montré que la structure en couches du kaolin est altérée de façon significative en raison du traitement chimique. Lors de l'intercalation des molécules KAc dans la structure du kaolin, l'intensité du pic caractéristique du kaolin est remarquablement réduite et de nouveaux pics apparaissent  à des angles inférieurs; ces pics finissent par disparaître lorsque le kaolin est mélangé avec le PET. Les images MÉB (microscopie électronique à balayage) confirment que le traitement au KAc et l'ajout de PEO ont un effet significatif sur la dispersion des particules. À partir des images MÉT (microscopie électronique en transmission), la taille des particules dans le nanocomposite est estimée de 100 à 200 nm de longueur, tandis que l'épaisseur varie de manière générale entre 10 et 50 nm. Par rapport aux particules telle que reçues, la dispersion du kaolin traité chimiquement dans la matrice de PET est remarquablement améliorée. Toutefois, les études rhéologiques ont montré que la dégradation du PET au cours de l'étape de mélange à l'état fondu entraîne une diminution de la viscosité à l'état fondu et une réduction considérable du poids moléculaire. Dans la troisième partie, la possibilité de préparer des nanoparticules de kaolin calciné par broyage humide et de les utiliser comme une nano-charge dans la matrice PET a été étudiée. Les images MÉB et MÉT ont montré que les particules broyées ayant une taille entre 50 et 250 nanomètres sont distribuées uniformément dans la matrice de PET. Il a été montré que le module et les propriétés barrière du PET sont améliorés après incorporation des particules broyées, cependant, l'allongement à la rupture est significativement inférieur à celui du PET seul. La présence des nanoparticules altère légèrement les propriétés optiques des échantillons. La dernière partie a été consacrée à l'étude de l'effet des processus secondaires (tels que l'étirage à chaud) sur les propriétés finales des matériaux composites PET/kaolin-calciné. L'incorporation des particules de kaolin calciné améliore les propriétés finales de la matrice de PET et cette amélioration s'est révélée être plus prononcée après étirement uniaxial au-dessus de la température de transition vitreuse. Cependant, l'addition de particules a été associée à une certaine opacité dans les composites et le processus d'étirement favorise cet effet qui a été attribué à la cristallinité et au décollement des particules de la matrice.  ABSTRACT: Polyethylene terephthalate (PET) is a major polymer used in industries such as textile and packaging.  Regarding the economic and environmental effect of polymeric packaging materials, there is a large demand for the development of reduced weight packaging systems. But on the other hand, low barrier and mechanical properties are the main drawbacks of such packaging systems. In spite of numerous studies conducted on the barrier and mechanical performance of PET-clay composites, little improvement has been reported. In this work, the influence of adding kaolin as a different type of clay material on the performance of PET will be investigated. The first part of this work focused on the chemical treatment of hydrous kaolin particles. Considering the specific chemical structure of kaolin, conventional modifiers such as alkyl aluminum which are widely used for smectite type clays are not applicable in case of kaolin. Since the final PET-kaolin nanocomposite was supposed to be in direct contact with foods, toxicity of the modifiers was another challenge to be considered. The modifier also needed to be thermally stable at processing temperature of PET. Eventually, potassium acetate (KAc) and dimethyl sulfoxide (DMSO) were chosen for chemical treatment of particles and their influences on the structure and physicochemical properties of the particles were investigated. In the second part, a displacement method, in which one element is replaced by another in a compound, was applied; the precursor produced in the first part was blended with poly(ethylene oxide) (PEO) in an internal mixer to give a high concentrated PEO-Kaolin masterbatch, and this masterbatch was diluted with neat PET in a twin screw extruder to produce the final nanocomposites. X-Ray diffraction results showed that the layered structure of kaolin was significantly altered due to the chemical treatment. Upon the intercalation of KAc molecules into the kaolin structure, the intensity of a kaolin characteristic peak was remarkably decreased and new peaks appeared at lower angles; these peaks eventually disappeared after blending with PET. SEM (scanning electron microscopy) images confirmed that the KAc treatment and blending with PEO had a significant effect on dispersion of the particles. From TEM (transmission electron microscopy) images, the particles in the nanocomposite were estimated to be 100-200 nm in length while their thickness was generally in the range of 10 to 50 nm. Compared to the as-received particles, the dispersion of the chemically treated kaolin in the PET matrix was remarkably improved. However, rheological studies showed that degradation of PET during the melt mixing step led to reduced melt viscosity and a considerable loss in molecular weight. In the third part, the possibility of preparing calcined kaolin nanoparticles via wet-grinding and using them as a nanofiller in a PET matrix was investigated. SEM and TEM images showed that the ground particles with sizes between 50 and 250 nanometers were uniformly distributed in the PET matrix. It was shown that the modulus and barrier properties of PET were improved after incorporation of ground particles; however, the elongation at break was significantly smaller than that of neat PET. The presence of nanoparticles slightly impaired the optical properties of the samples as well. The last part was dedicated to studying the effect of secondary processes (such as hot-stretching) on the final properties of the PET/calcined-kaolin composites. Incorporation of calcined kaolin particles enhanced the final properties of PET matrix and this enhancement was shown to be more pronounced after uniaxial stretching above the glass transition temperature. However, the addition of particles was associated with haziness in the composites and the stretching process promoted this effect, which was assigned to crystallinity and debonding between the particles and the matrix.


identifier: Geronymos, S. (2014). Modélisation vibratoire en flexion de poutres composites multicouches à section creuse suite à un impact  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le sujet de cette recherche porte sur la modélisation analytique des vibrations transversales de poutres en composites multicouches à section creuse. La méthode énergétique des modes assumés a été choisie à cet effet, contrairement aux travaux d'autres auteurs. L'objectif de cette méthode est de calculer les fréquences propres ainsi que le comportement transitoire de poutres grâce à des fonctions admissibles, et ce, de manière très efficace. Le comportement transitoire suite à des impacts n'a pas beaucoup été étudié dans la littérature trouvée par l'auteur. La logique derrière cette méthode est de calculer les solutions d'un problème complexe grâce aux fonctions modales d'un problème simplifié. Le taux de convergence élevé ainsi que la possibilité de visualiser le cisaillement le long des poutres à n'importe quel instant sont des avantages précieux par rapport aux autres méthodes numériques. Un autre avantage de cette méthode est qu'elle permet d'associer des fonctions modales aux fréquences propres calculées. Cette méthode a été utilisée dans cette étude pour calculer le problème de poutres composites multicouches, grâce aux fonctions modales des problèmes homogénéisés correspondants. Les fréquences propres ont été obtenues grâce au problème aux valeurs propres découlant des relations des énergies potentielle, cinétique et de l'énergie des chargements externes. Le comportement transitoire des poutres est obtenu en découplant le même système matriciel obtenu lors du problème aux valeurs propres et en le résolvant. La validation de cette méthode a été réalisée grâce à des poutres pleines ou creuses, isotropes ou orthotropes dont les détails sont principalement fournis en annexe. Les résultats principaux de cette recherche sont une analyse de sensibilité des fréquences propres en fonction du module de cisaillement transversal et une étude paramétrique de la séquence d'empilement des poutres creuses en composites. Cette méthode ouvre de nombreuses possibilités de recherche futures entre autre sur les vibrations couplées et les nano poutres en carbone. En effet, en possédant les expressions des énergies et en y injectant les fonctions modales représentant le problème il est théoriquement possible de résoudre une grande variété de problèmes.  ABSTRACT: The subject of this research is the study of transverse vibration of multi-layered composite hollow beams using an analytical method. The assumed modes method was chosen to this effect, in contrast with the other authors' work. The objective of this method is to efficiently calculate the modal frequencies and the transient vibration response of the studied beams by using modal functions. To the author's knowledge, only few of the research work presented in the literature review focus on the transient response. The choice of the modal functions used to resolve the problem is straightforward. The modal functions of a simplified problem are used in order to resolve the initial problem. There are some advantages to using this method, namely high convergence rates and the ability to visualize shear at any location on the beam and at any moment. The ability to associate any given modal frequency to a modal function is also an advantage. In this research the modal functions chosen to resolve the multi-layered composite beam problem were the modal functions of the homogenized beam. The modal frequencies are calculated by resolving the eigen value problem derived from the energy expressions. On the other hand the transient response is obtained by decoupling the system of equations for the forced problem and resolving the decoupled equations. Some non-hollow or hollow, isotropic or orthotropic beams were used in order to validate the theoretical results. The main results of the research are a sensitivity analysis function of the value of the transverse shear modulus as well as a parametric study function of the stacking sequence. This research opens the door for exciting new subjects, namely coupled vibration as well as nano-beams. It is theoretically possible to resolve a great variety of problems with this method depends on the energy expressions and needs adequate modal functions.


identifier: Wang, X. (2014). Investigation on the Mixing Performance in a Superblend Coaxial Mixer  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le mélange est une opération unitaire très courante dans les procédés industriels qui trouve son application dans divers domaines tels que la dispersion de liquides, la suspension de solides, les réactions chimiques (polymérisation, fermentation…) et d'autres applications. Par ailleurs, dans beaucoup de cas impliquant des systèmes monophasique ou multiphasique, d'importantes variations de la viscosité peuvent être observées durant le procédé en raison des comportements rhéologiques complexes des systèmes mis en jeu. Cela se traduit notamment par une très grande déviation par rapport aux  principes considérés lors de la conception d'un mélangeur standard. Ainsi, le choix d'un type de mélangeur pouvant assurer une efficacité élevée tout au long du procédé peut être une opération relativement complexe nécessitant beaucoup d'innovation. Dans cette optique, différents types de mélangeurs ont été considérés dont le mélangeur coaxial « Superblend » qui a donné les résultats extrêmement prometteurs. Ce mélangeur se compose de deux agitateurs : Un ruban hélicoïdal et un Maxblend. Ainsi, grâce à cette combinaison, différentes conditions de fonctionnement peuvent être considérées dans un seul récipient pour faire face aux problèmes liés aux comportements rhéologiques complexes des fluides mis en jeu.  Ayant pour objectif d'apporter plus de compréhension des performances de mélange, des principes de conception et des lignes directrices des opérations de scale up de ce type de mélangeur, une caractérisation complète de l'hydrodynamique du Superblend a été réalisé en considérant des fluides Newtonien et non-Newtoniens dans des systèmes monophasique ou multiphasique. Les résultats obtenus ont montré que le champ d'écoulement, les performances de mélange en termes de puissance consommée et de temps de mélange ainsi que la contribution de chaque agitateur dépendaient fortement du comportement rhéologique, de la taille des particules et de leur concentration dans les suspensions de solides, du rapport de vitesse des agitateurs ainsi que du mode de rotation.  La vitesse caractéristique proposée par Farhat et al. (2008) pour les mélangeurs coaxiaux a notamment été appliquée à d'autres mélangeurs multi-arbres qui n'ont pas été considérés dans les précédents travaux et le domaine d'application et limitations ont été discutés. Ainsi, en comparant les résultats avec les données disponibles, la puissance consommée, le temps de mélange et l'énergie de mélange de différents types de mélangeurs ont été présentés et une approche globale pour prédire la puissance consommée des mélangeurs multi-arbre a été proposée. En conclusion, il a été trouvé que le Superblend surclassait tous les autres mélangeurs en termes de temps et d'énergie de mélange.  ABSTRACT: Mixing is a ubiquitous unit operation in the process industries with numerous applications in reaction (polymerization, fermentation), distribution of solids and liquids, and blending (manufacturing of formulated products). In many cases of single-phase and multi-phase systems, widely and rapidly varying viscosities over the processing time occur along with the development of complex rheological behaviors. Since there is a huge gap between the design principle of the standard mixing approach and the mixing mechanism in rheologically complex systems, the resulting mixing inefficiencies have roused the innovations in mixer design and optimization.  Among a variety of equipments and geometries designed to fill this gap, a recently emerged mixer concept Superblend coaxial mixer is one of the very promising candidates. Superblend coaxial mixer consists of two impellers: a helical ribbon as outer impeller and a Maxblend impeller as inner impeller. This combination allows a synergy between impeller geometries in different operating conditions in a single vessel to tackle the problems in rheologically complex mixing. Aiming at providing comprehensive scientific information on mixing performance, process design principles and scale-up guidelines, a full characterization of the single-phase and multiphase hydrodynamics in the Superblend mixer with both Newtonian and non-Newtonian fluids was carried out. Results exhibited that various experimental parameters such as rheological behavior, particle size and concentration, speed ratio and rotating mode have significant influence on the mixing performance in terms of flow pattern, power consumption, mixing time and evolution, contribution of each impeller and the optimal operating conditions. New definition of characteristic speed proposed by Farhat et al. (2008) for coaxial mixers were extended to some other multi-shaft mixers not considered in previous works, and the applicability and limitations were discussed. Based on the comparison and analysis of existing resource, the power consumption, mixing time and mixing energy of different mixers were presented and a general approach to predict the power consumption in multi-shaft mixer was introduced. The Superblend mixer outperforms all the other mixers from the perspective of mixing time and mixing energy despite the lack of power-efficiency.


identifier: Liaghat, T. (2014). Two-Way Fluid-Structure Coupling in Vibration and Damping Analysis of an Oscillating Hydrofoil  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dès les premières phases de conception des composantes d'une turbine hydraulique, plusieurs facteurs, dont l'amortissement hydrodynamique et son influence sur la vibration des pales, doivent être estimés par les constructeurs afin d'évaluer le comportement dynamique des composantes. L'état de l'art actuel en la matière consiste à déterminer les caractéristiques dynamiques des aubes de turbine à l'aide de simulations numériques du fluide (simulations CFD) en régime stationnaire afin d'estimer le champ de pression induit par le fluide sur les aubes de la turbine. Ce champ de pression est ensuite appliqué en tant que condition limite ou de chargement sur l'aube afin de simuler son comportement mécanique par une méthode d'éléments finis. Une telle approche est appelée couplage unidirectionnel, car aucune déviation de l'aube n'est réinjecté dans la simulation CFD. Pour capturer l'influence de l'aube déformée sur le rendement hydraulique, la déformation doit être ramenée dans la simulation du fluide de telle sorte qu'une nouvelle solution CFD améliorée puisse être calculée et ainsi que la boucle d'interaction entre le comportement du fluide et de la structure puisse être fermée. Une telle boucle d'interaction bidirectionnelle entre les simulations du fluide et de la structure est appelée simulation couplée de l'interaction fluide-structure (ou FSI simulation, en anglais). C'est ce dernier type de simulation qui constitue l'objet du présent mémoire. Cette étude présente une validation des simulations numériques tridimensionnelles de l'interaction fluide-structure d'un profile hydraulique vibrant et examine la contribution de l'amortissement hydrodynamique du fluide à l'amortissement total. Nous utilisons une simulation de l'interaction fluide-structure basée sur deux solveurs distincts, l'un pour le fluide (ANSYS-CFX 13) et l'autre pour la structure (ANSYS Classic 13). Ces solveurs s'exécutent séquentiellement et échangent des informations à des points de synchronisation précis entre les étapes de simulation de chacun des domaines. Dans un premier temps, afin de valider les étapes de base de l'approche de couplage bidirectionnelle pour la simulation de l'interaction fluide-structure, l'oscillation d'une plaque verticale dans une cavité remplie d'un fluide est examinée. Nous considérons également l'analyse transitoire d'une plaque sèche encastrée à une extrémité afin d'évaluer l'effet de l'amortissement numérique sur les résultats de simulation. L'effet du choix du pas de temps et de la valeur d'amortissement visqueux sont également étudiés en détail. Après validation de l'approche proposée, une attention particulière est accordée à l'évaluation de l'amortissement engendré par l'interaction fluide-structure dans des conditions réaliste d'écoulement fluide, grâce à l'application d'une modélisation bidirectionnelle de l'interaction.  ABSTRACT: Several factors in the design and analysis of hydropower structures, the identification of hydrodynamic damping and estimating its influences on the blade vibrations are crucial for constructors who try to assess the dynamics of runners in hydropower turbines at the earliest stage of the design phase. The current state-of-the-art approach to determine dynamic characteristics of the turbine blades consists of a steady state computational fluid dynamics (CFD) simulation which provides the fluid pressure on the turbine blade. This is then applied as a boundary or load condition for the finite element simulation of the configuration. Such an approach is called one-way coupled simulation since no deflection is fed back into CFD. To capture the influence of the deformed blade on the hydraulic performance, the deformation has to be brought back into the CFD solution such that an improved solution can be found and the loop can be closed. This comprises what is called two-way coupled fluid structure interaction (FSI) simulation or multi-field simulation, which is investigated in this thesis. This study presents a three-dimensional numerical fluid-structure interaction (FSI) modeling of a vibrating hydrofoil using the commercial software ANSYS-CFX and investigates the hydrodynamic damping as the fluid contribution to the total damping. We use an FSI simulation with two separate solvers, one for the fluid (CFD) and one for the structure (FEM) that run in sequential order with synchronization points to exchange information at the interface of the fluid and structure domains. In the present work the two commercially available solvers ANSYS CFX 13.0 and ANSYS Classic 13.0 are applied as CFD and FEM solver respectively. Different meshes were generated in this analysis for the fluid and solid fields. As the first step and to show the basic steps in fluid-structure interaction analysis with ANSYS-CFX and to validate the above mentioned two-way FSI approach, oscillation of a vertical plate in a cavity filled with a fluid is considered. We also consider the transient analysis of the plate with cantilever support in dry-condition to investigate the effect of considering numerical damping in the analysis. The effects of time step and viscous damping were also studied in details. After validating the proposed approach, special attention is paid to damping due to FSI in realistic flowing water conditions through the systematic application of a two-way fluid-structure interaction modeling.


identifier: Rahmani, B. (2014). In-Situ Mechanical Properties Identification of Composite Materials Using Inverse Methods Based on Full-Field Measurements  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: RÉSUMÉE Des essais homogènes macroscopiques, tels que les tests classiques de tension et de compression, peuvent être réealisés pour obtenir une mesure des propriétés moyennes d'un composite donné. Cependant, ces tests ne permettent pas d'identifier les paramètres mécaniques in situ des phases constitutives ou encore de l'interface d'adhésion entre la matrice et les fibres. Grâce aux avancées récentes au niveau des appareils optiques et des technologies d'imagerie, plusieurs techniques de mesures en champ complet telle que la Corrélation d'Images Numériques (CIN) et la Corrélation de Volumes Numériques (CVN) ont fait leur apparition. Ces techniques permettent la quantification des champs de déplacements/déformations en 2D ou 3D sur la surface ou même à l'intérieur d'un matériau opaque soumis à des chargements externes. La disponibilité de telles informations a permis le developpement de différentes méthodes inverses d'identification de paramètres des matériaux. Parmi ces dernieres, l'Actualisation du Modèle Éléments Finis (AMEF) et la Méthode des Champs Virtuels (MCV)ont été grandement exploitées. L'utilisation combinée d'une technique de mesure en champ complet et d'une méthode d'identification inverse constitue une stratégie très prometteuse pour identifier simultanément plusieurs propriétés mécaniques locales. L'objectif principal de cette thèse était de développer et d'améliorer des approches inverses en 2D et en 3D, étant efficaces à la fois en termes de précision et de temps de calcul. Les approches développées ont été validées en réalisant différentes expériences virtuelles permettant l'identification des propriétés mécaniques locales de composites avec diverses caractéristiques mécaniques et morphologiques. En premier lieu, un algorithme inverse base sur la technique d'Actualisation du Modèle Éléments Finis (AMEF) a été développé et ensuite amélioré. L'amélioration a d'abord consiste à utiliser une technique d'optimisation hybride, i.e. combinaison d'une méthode globale sans dérivées et d'une méthode d'optimisation de premier ordre, afin d'augmenter la précision des paramètres identifiées. De plus, une série de contraintes mécaniquement pertinentes, comprenant un modèle d'homogénéisation approprié, a été ajoutée pour régulariser le problème d'identification. La fonctionnalité de cette nouvelle approche numérique et analytique, à savoir l'Actualisation du Modèle Régularisé (AMR), a été comparée à celle de la AMEF en présence de champs de déplacements bruités de composites unidirectionnels àfibres longues. En second lieu, une nouvelle approche basée sur la Méthode de Champs Virtuels (MCV)a été développée pour concilier précision et efficacité numérique.  ABSTRACT: Macroscopic homogeneous testing, such as classical tension and compression tests, can be performed for obtaining the average behavior of a given composite. However, these tests cannot provide the localfiber and matrix properties, nor the matrix-fiber interface adhesion properties. Thanks to recent advances made in optical devices and imaging technologies, several full-field measurement techniques such as Digital Image Correlation (DIC) and Digital Volume Correlation (DVC) have been developed. These techniques allow quantifying 2D or 3D displacement/strain fields over the surface, or even inside an opaque material subjected to external loadings. The experimental availability of such rich information has given rise to several inverse material parameters identification techniques. Among these, the Finite Element Model Updating (FEMU) and the Virtual Fields Method (VFM) have been widely exploited due to their inherent advantages such as their lower sensitivity to noise. The combination of a full-field measurement technique and an inverse identification method is a very promising strategy for simultaneously identifying several local mechanical properties. The main objective of this thesis was to develop improved inverse identification approaches in 2D and 3D, that were efficient in terms of both accuracy and computational time. The developed approaches were validated by conducting several virtual experiments through local mechanical properties identification of composites with various mechanical and morphological characteristics. First, an inverse algorithm based on the Finite Element Model Updating (FEMU) technique was developed and improved. The improvement consisted first in using a hybrid  optimization technique, i.e. a combination of a global derivative-free algorithm and a gradient-based optimization method, so as to enhance the accuracy of the identified parameters. In addition, a set of mechanically relevant constraints, consisting of an appropriate homogenization model, were included so as to regularize the identification problem. The functionality of this new numerical-analytical approach, named the Regularized Model Updating (RMU), was compared to that of the FEMU method in the presence of noisy measured displacement fields for uni-directional long fiber composites. Second, a new approach based on the Virtual Fields Method (VFM) was developed with the capability of reconciling accuracy and computational efficiency. The novelty of this Regularized Virtual Fields Method (RVFM) was that mechanically relevant constraints were exploited within an optimization framework to regularize the solution of the related system of equations in the VFM.