identifier: Boulanger-Martel, V. (2019). Évaluation de la performance de recouvrements miniers pour contrôler le drainage minier acide en climat arctique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Résume En présence de conditions froides et de pergélisol, les mécanismes de génération du drainage minier acide (DMA) dans les rejets miniers sont ralentis par les basses températures. La présence de conditions froides (eau gelée) contribue aussi à limiter le transport des contaminants dans l'environnement. Cependant, malgré ce constat, du drainage minier acide peut être généré en conditions froides durant la période de dégel d'où la nécessité de restaurer ces sites. Plusieurs types de recouvrements existent pour limiter la génération de DMA par les résidus miniers contenus dans les parcs à résidus miniers dans l'Arctique, notamment le recouvrement isolant. Le recouvrement isolant utilise favorablement les conditions climatiques de l'Arctique afin de limiter l'oxydation des sulfures en intégrant les résidus miniers au pergélisol et en contrôlant leur température. Pour être performant, le recouvrement isolant doit maintenir les résidus miniers sous une température à partir de laquelle l'oxydation des résidus miniers est négligeable. Puisque le recouvrement isolant ne vise qu'à contrôler la température des résidus miniers, sa performance à long terme peut être source d'incertitude. La performance des recouvrements isolants doit donc être démontrée pour chaque site minier en fonction des projections climatiques anticipées. La couverture isolante avec effets de barrière capillaire (CIEBC) présente une approche alternative aux recouvrements isolants qui pourrait s'avérer plus robuste dans un contexte de changements climatiques. Ce type de recouvrement se base sur les propriétés isolantes du recouvrement pour réduire la période où les résidus miniers sont au-dessus de la température cible de réactivité et sur les propriétés hydrogéologiques des matériaux afin de favoriser de hauts degrés de saturation dans une couche du recouvrement (couche de rétention d'eau) pour limiter les flux d'oxygène disponibles pour les réactions d'oxydation lorsque la température cible n'est plus atteinte. Même si théoriquement l'approche semble intéressante, plusieurs aspects liés à la performance de la CIEBC doivent être validés avant l'application à grande échelle. Ces aspects incluent notamment les effets du temps sur les propriétés des matériaux et leur capacité à atteindre la performance réelle lorsqu'exposé aux conditions in situ. Dans ce contexte, la présente étude vise à évaluer l'efficacité à court et long termes de différentes configurations de recouvrements construits à la mine Meadowbank pour limiter l'oxydation des sulfures. Les configurations de recouvrements testées comprennent des recouvrements isolants de 2 et 4 m d'épaisseur faits en stériles miniers non potentiellement générateurs d'acidité (NPAG) et d'une CIEBC de 2 m faite d'un bris capillaire et d'une couche de protection de stériles NPAG lâches et d'une couche de rétention d'eau de stériles NPAG compactés. Plus spécifiquement, ce projet de recherche vise à déterminer au laboratoire les principales propriétés thermo-hydro-géotechniques des matériaux de recouvrement et des résidus miniers, évaluer la performance des différentes configurations de recouvrement à partir de données obtenues au laboratoire et par le biais de cellules expérimentales de terrain, évaluer au laboratoire la durabilité des matériaux de recouvrement face aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage, analyser à l'aide d'outils numériques le comportement thermique des recouvrements isolants à long terme et à développer une approche de conception généralisée des recouvrements isolants. Les travaux de caractérisation des matériaux montrent que les stériles lâches et compactés ont des propriétés hydrogéologiques adéquates pour être utilisés comme matériaux de couches de bris capillaire et de rétention d'eau, respectivement. Une différence de conductivité hydraulique saturée de quatre ordres de grandeur est observée entre les deux matériaux (1 × 10-1 versus 1 × 10-5 cm/s) et la succion résiduelle (125 cm d'eau) des stériles lâches est atteinte avant la valeur d'entrée d'air des stériles compactés (250 – 300 cm d'eau). Les essais de diffusion de l'oxygène réalisés sur les stériles compactés démontrent que les stériles compactés adoptent un comportement coefficient de diffusion de l'oxygène – saturation similaire aux matériaux granulaires. Les essais de consommations de l'oxygène réalisés au laboratoire à différentes températures ont permis d'identifier que le taux de réaction des résidus miniers de Meadowbank devient négligeable à 0 °C; la température cible d'entreposage des résidus de Meadowbank est donc établie à cette valeur. Les caractérisations thermiques montrent que la conductivité thermique des solides est de 4,80 et 5,80 W/m K pour les matériaux de recouvrement et les résidus miniers, respectivement. Un modèle de prédiction de la conductivité thermique a été calibré pour représenter les données obtenues au laboratoire. Aucun effet d'échelle et de structure significatif sur la conductivité thermique n'a été observé pour les unités de stériles miniers. Ainsi, les modèles calibrés peuvent être étendus aux conditions de terrain avec confiance. Le comportement thermique et hydrogéologique des deux cellules expérimentales de terrain de recouvrements isolant a été suivi pour une période de 4,5 années. Les résidus miniers et 50 cm de matériaux à la base du recouvrement sont saturés. Ces conditions d'humidité ont un impact sur la conductivité thermique des matériaux et donc, sur la distribution des températures internes. Le suivi des températures internes montre que la conduction est le principal mécanisme contrôlant le comportement thermique des recouvrements étudiés. Le recouvrement de 2 m a montré des températures à l'interface résidus-recouvrement supérieures à 0 °C pour 94 à 124 jours par année, tandis que la température des résidus miniers sous le recouvrement de 4 m a toujours été sous 0 °C. Les essais de consommation d'oxygène montrent une réduction de 70 à 90% des flux d'oxygène consommés par les résidus recouverts comparativement aux résidus non recouverts. Les calculs de flux d'oxygène annuel totaux indiquent que les flux d'oxygène sont inférieurs à 2 mol/m2/an, ce qui confirme l'efficacité des recouvrements isolants à contrôler l'oxydation des résidus miniers de Meadowbank. Le comportement thermique et hydrogéologique de la cellule expérimentale de terrain CIEBC construite à Meadowbank a été suivi pour 3,5 années. Les résultats montrent que la profondeur de dégel a périodiquement atteint les résidus miniers et que la température à l'interface résidus-recouvrement a été supérieure à 0 °C pour 39 à 57 jours par année. Lorsque la température à l'interface résidus-recouvrement était supérieure à 0 °C, le degré de saturation moyen de la couche de rétention d'eau était de 84 %. Dans ces conditions, des flux d'oxygène annuel total passant à travers la couche de rétention d'eau inférieurs à 2 mol/m2/an ont été calculés, confirmant l'efficacité du système de recouvrement CIEBC à titre de barrière à l'oxygène. Dans un contexte de changements climatiques, le concept de CIEBC représente une alternative intéressante aux recouvrements isolants, spécialement lorsque les résidus miniers sont très réactifs. Les travaux d'évaluation de la durabilité de l'unité de stériles miniers indiquent que les pertes de masses observées suite aux cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage sont caractéristiques de matériaux résistants. Des variations acceptables des propriétés physiques et mécaniques des carottes de roches intactes testées ont aussi été observées après 20 et 80 cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage. La durabilité de l'unité de stériles est principalement attribuée à sa haute densité, à ses faibles capacités d'absorption d'eau et sa faible porosité apparente. Les résultats suggèrent qu'aucune complication reliée à l'intégrité physique des matériaux de recouvrement ou à qualité des eaux de drainage ne devrait être attendue à long terme. Les résultats des essais de durabilité montrent que l'unité de stériles NPAG de Meadowbank n'est pas significativement affectée par les cycles de gel-dégel et de mouillage-séchage et qu'elle constitue un excellent matériau pour la construction du recouvrement isolant de Meadowbank. L'ensemble des données obtenues lors de la caractérisation des matériaux et du suivi des cellules expérimentales de terrain ont été utilisées pour développer des modèles numériques qui évaluent le comportement thermique à long terme de recouvrements isolants de configurations similaires à ceux testés à Meadowbank. En considérant une augmentation de la température de l'air de 6,0 °C sur 100 ans et des conditions thermiques post-opérations, les températures des résidus miniers sous les recouvrements de 2 et 4 m diminuent dans les premières 25 – 35 années dues au processus de gel. Ensuite, la température de l'interface résidus-recouvrement augmente graduellement à cause de l'impact de l'augmentation de la température de l'air dans le temps. La température des résidus miniers sous le recouvrement de 2 m est constamment sous 0 °C à partir de 4 ans, tandis que la température à l'interface résidus-recouvrement devient momentanément supérieure à 0 °C à l'année 82 et est supérieure à 0 °C pour 120 jours à l'an 100. Sous le recouvrement de 4 m, la température des résidus miniers devient constamment sous 0 °C après 9 ans et la température des résidus miniers est toujours maintenue sous 0 °C une fois la période de gel passée. L'analyse paramétrique indique que l'épaisseur du recouvrement, l'épaisseur de la couche des résidus miniers, les variations de l'augmentation de la température de l'air et les conditions de saturations sont les principaux facteurs qui affectent le comportement thermique et la performance des recouvrements isolants à limiter l'oxydation des sulfures. Ultimement, un cadre de conception général des recouvrements isolants en huit étapes est proposé. Cette approche de conception généralisée fournit un cadre utile à l'industrie minière pour la conception de recouvrements isolants dans l'Arctique.  ABSTRACT: In arctic regions where permafrost is present, the mechanisms leading to the generation of acid mine drainage (AMD) by mine tailings are slown down by the low temperatures. The occurrence of frozen conditions also contributes to limiting the transport of contaminated water into the receiving environment. Even though such conditions are observed, AMD-generation can still be observed in arctic conditions and mine site reclamation must be achieved. Many types of covers are available to control AMD-generation from tailings storage facilities located in the Arctic, including the insulation cover. The insulation cover seeks to integrate reactive mine tailings into the natural permafrost and control the tailings temperature to limit the generation of AMD. In order to be effective, an insulation cover must permanently maintain the tailings below a target temperature at which the oxidation of sulfide minerals is negligible. However, this approach can be vulnerable to changes in climatic conditions as its long-term performance is strictly based on controlling the temperature of tailings. For this reason, its performance must be demonstrated based on anticipated future changes in climatic conditions. In this context, a more robust alternative could be the use of insulation covers with capillary barrier effects (ICCBEs) because they control both the tailings temperature and the vertical migration of oxygen. ICCBEs use the temperature lowering properties of an insulation cover to reduce the period of time at which the temperature of the tailings are greater than the target temperature and the contrast in the hydrogeological properties of the cover layers to limit flux of oxygen available to the oxidation reactions during the periods when the temperature at the tailings-cover interface are greater than the target temperature. Even if this alternative approach is appealing, many aspects related to its performance must be validated before being implemented at full scale, including the effect of time on the properties of cover materials and their capacity to be effective under field conditions. This study aims at evaluating the short- and long-term performance of several covers constructed at Meadowbank mine for controlling sulfide oxidation. The tested covers include two insulation covers (2- and 4-m-thick) made of non-potentially acid-generating (NPAG) waste rocks and a 2 m-thick ICCBE constructed with a moisture-retaining layer made of fine compacted NPAG waste rocks and protective and capillary break layers made of raw non-compacted NPAG waste rocks. More specifically, this research project seeks to determine the main thermo-hydro-geotechnical properties of the cover materials and tailings, assess the performance of several cover configurations based on laboratory characterizations and field experimental cells, assess the durability of the NPAG waste rock unit to freeze-thaw and wet-dry cycles at the laboratory, analyze the long-term behaviour of insulation covers in the long-term using numerical modelling, and develop a generalized design framework for insulation covers. Laboratory characterizations showed that the loose and compacted waste rocks have the hydrogeological properties required to be used as capillary break and moisture-retaining layers, respectively. A difference in saturated hydraulic conductivity of four orders of magnitude was observed between the two materials (1 × 10-1 vs 1 × 10-5 cm/s), and residual suction conditions (125 cm of water) are reached in the loose waste rocks before the air entry value (250 – 300 cm of water) of the compacted waste rocks is reached. Oxygen diffusion tests performed on compacted waste rocks indicated a effective oxygen diffusion coefficient – saturation behaviour similar to typical granular materials. Oxygen consumption tests performed at the laboratory on tailings at different temperatures highlighted that the reaction rate of Meadowbank mine tailings becomes negligible at 0 °C. Accordingly, the target temperature of Meadowbank tailings was established at this temperature. Thermal characterizations indicated thermal conductivity of the solid particles of 4.80 and 5.80 W/m K for the waste rocks and tailings, respectively. A predictive thermal conductivity model was calibrated to best represent the data obtained in the laboratory. No significant scale and structural effects on the thermal conductivity were observed for the waste rocks. Therefore, the calibrated models can be extended to field conditions with confidence. The thermal and hydrogeological behaviour of the two insulation cover field experimental cells was monitored for 4.5 years. The tailings and the lower 0.50 m of cover materials were saturated. These saturation conditions have an impact on the cover material's thermal conductivity and on the distribution of the internal temperatures. The monitoring of internal temperatures indicated that conduction is the main heat transfer mechanism controlling the thermal behaviour of the studied insulation covers. The 2-m insulation cover showed temperatures at the tailings-cover interface greater than 0 °C for 94 to 124 days every year, whereas under the 4-m cover, the temperatures at the tailings-cover interface stayed below 0 °C. The comparison of the oxygen fluxes measured for the uncovered versus covered tailings indicated that the oxygen fluxes were reduced by 70 to 90 % by the insulation covers. The thermal and hydrogeological behaviour of the insulation cover with capillary barrier effects field experimental cell constructed at Meadowbank mine was monitored for 3.5 years. Results show thaw depths periodically reaching the tailings and temperatures at the tailings-cover interface greater than 0 °C for 39 to 57 days every year. During the period of time at which the temperature at the tailings-cover interface was greater than 0 °C, the average degree of saturation of the moisture-retaining layer was 84 %. In these saturation conditions, total yearly diffusive oxygen flux passing through the moisture-retaining layer inferior to 2 mol/m2/yr were calculated, thus confirming the efficacy of the cover to act as an efficient oxygen barrier. Considering the potential for future changes in climate, ICCBEs represent an attractive alternative to insulation covers, especially when the tailings are highly reactive. The laboratory tests performed to assess the durability of the waste rock unit with respect to freeze-thaw and wet-dry cycles indicated acceptable mass losses. The variations in terms of the material's physical and mechanical properties after 20 and 80 freeze-thaw and wet-dry cycles were within the acceptable limits for materials of high durability. The high durability of the waste rock unit is owed to its high density, low water absorption index, and low apparent porosity. Based on the results, no problem related to the physical integrity of cover materials or water quality is to be expected from the weathering of the waste rock unit. Ultimately, Meadowbank mine's waste rock unit is an excellent and durable construction material for mine closure purposes. Considering all the results obtained from laboratory characterizations and the monitoring of the field experimental cells, a numerical model was developed to assess the long-term behaviour of insulation cover configurations similar to those tested at Meadowbank. Considering an increase in air temperature of 6.0 °C over 100 years and post-operations ground thermal conditions, the models showed that the temperature of the tailings under the 2 and 4-m insulation covers decrease over the first 25 – 35 years due to the process of freezing. Then, the temperature at the tailings-cover interface gradually increase due to the impact of the increase in air temperature over time. The temperatures of the tailings under the 2-m cover become constantly below 0 °C after 4 years. Then the temperature at the tailings-cover interface becomes greater than 0 °C at year 82 and for 120 days at year 100. Under the 4-m cover, the temperature of the tailings becomes constantly below 0 °C after 9 years. The temperature at the tailings-cover interface is maintained below 0 °C year-round after the freezing period. A parametric demonstrated that the cover thickness, thickness of the tailings layer, variation in the increase in air temperature and moisture conditions are the main factors affecting the thermal behaviour and performance to control sulfide oxidation of the cover configurations. Ultimately, a generalized design framework comprised of eight steps was proposed. This design approach provides a framework useful for the industry to design insulation covers in the Arctic.


identifier: Raouafi, S. (2019). Développement d'un outil automatique d'aide au diagnostic pour les enfants atteints de paralysie cérébrale en réadaptation robotique  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La paralysie cérébrale représente l'infirmité la plus courante chez les enfants, affectant le mouvement, la coordination et la tonicité musculaire. Cette atteinte peut avoir des effets dévastateurs sur le développement des enfants, s'accompagnant d'une grande difficulté pour accomplir les tâches de la vie quotidienne. Les interventions médicamenteuses, psychothérapeutiques et l'adoption de nouvelles technologies d'assistance robotisée, sont des moyens qui permettent d'améliorer la qualité de vie et procurer une indépendance maximale aux enfants dont les capacités mentales le permettent. Les résultats de ces prises en charge sont généralement basés sur des outils d'évaluation subjectives qui dépendent grandement de l'avis de l'évaluateur et des facteurs environnementaux.   Dans le but d'améliorer l'efficacité de ces interventions, l'objectif de cette thèse est de développer un outil de catégorisation des comportements musculaires dynamiques et les habilités motrices des enfants atteints de paralysie cérébrale. Cet objectif global est subdivisé en trois objectifs spécifiques: (1) tester la validité d'une méthode assistée par ordinateur pour la classification des niveaux fonctionnels des enfants avec paralysie cérébrale à partir des mouvements simples d'extension-flexion et de supination-pronation; (2) explorer d'autres techniques d'apprentissage machine plus avancées pour la catégorisation des habilités motrices à partir des mouvements effectués avec un dispositif d'assistance robotisé REAplan; et (3) comparer les comportements musculaires dynamiques aux membres supérieurs entre les enfants atteints de paralysie cérébrale avant et après la rééducation afin de valider l'efficacité du REAPlan comme outil de réadaptation.  Parmi les résultats, une bonne corrélation a été trouvée entre les niveaux de sévérité établis par l'échelle « Manuel Ability Classification System » (MACS) et les niveaux de sévérité issus de la méthode de classification. En outre, il a été possible de différencier les enfants avec un développement normal, des enfants avec paralysie cérébrale pré-thérapie et post-thérapie, avec une précision globale de 97,6%.   Par la suite, un indice quantitatif « Upper Limb Motor Function Index » (ULMFI) a été calculé à partir des paramètres électromyographiques et accélérométriques les plus pertinents pour distinguer les trois groupes d'enfants. L'ULMFI a montré des différences significatives entre le groupe avec un développement normal et les enfants avec paralysie cérébrale pré et post-thérapie assistée par robot.  Les résultats de cette thèse suggèrent que les coûts et les efforts nécessaires pour évaluer et caractériser le niveau de limitation d'un enfant atteint de paralysie cérébrale, peuvent être davantage réduits avec des techniques d'apprentissage machine. Comme perspective, cette méthode pourra aussi être appliquée à d'autres populations atteintes de maladies neuromusculaires et de déficits moteurs cérébraux, afin de mieux cibler les muscles atteints avec des traitements spécifiques et d'améliorer le diagnostic médical.  ABSTRACT: Cerebral palsy is the most common disability in children, affecting movement, coordination and muscle tone. This disability has a devastating effect on children development, on their quality of life and impacts their ability to perform everyday tasks. The use of appropriate combinations of medical and psychotherapeutic interventions and the adoption of the assistive robotic devices could improve the independence and quality of life of children with cerebral palsy whose mental abilities allow it. The effects of these interventions are generally assessed based on the perspective of the therapist evaluating the child and the environmental factors.   To improve the effectiveness of these interventions, the aim of this thesis was to develop a computerized method to estimate the disability levels of children with cerebral palsy. To do so our three specific objectives were: (1) validating a computerized method to classify disability levels of children with cerebral palsy during two main movements of upper extremity: extension-flexion and supination-pronation; (2) testing a more advanced machine learning techniques to categorize motor skills  using an assistive robotic device REAplan; and (3) comparing dynamic muscle behavior in upper limbs between children with cerebral palsy before and after the intervention to validate the effectiveness of REAPlan as a rehabilitation tool.   A good correlation was found between the severity levels fixed by the « Manual Ability Classification System » (MACS) and the obtained classes. In addition, it was possible to differentiate children with typical development from children with cerebral palsy pre-therapy and post-therapy, with an overall accuracy of 97.6%.  Thereafter, a quantitative « Upper Limb Motor Function Index » (ULMFI) was calculated from the most relevant electromyographic and accelerometric parameters to distinguish between the three groups of children. The ULMFI was able to differentiate between children with typical development and children with cerebral palsy pre and post Robot-Assisted Therapy (Robot-AT).  The results of this thesis suggest that the cost and effort needed to assess and characterize the disability level of a child with cerebral palsy can be further reduced using machine learning techniques. As a perspective, the proposed assessment method can also be applied to other populations with neuromuscular diseases and cerebral motor deficits, to identify the muscles to target with specific treatments and improve medical diagnosis.


identifier: Benammar Ammar, H. (2019). Stratégies pour la stabilisation de bactériophages contenus dans des pansements biodégradables pour traiter les infections à résistances multiples aux antibiotiques  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En raison du problème croissant des bactéries résistantes aux antibiotiques émergeant dans le monde, la phagothérapie a attiré les efforts des scientifiques et l'intérêt public. C'est une thérapie par les bactériophages, communément appelés phages. Ce sont des virus qui infectent et se répliquent à l'intérieur des hôtes bactériens spécifiques, provoquant une bactériolyse. Bien que les recherches sur les phages et les expérimentations soient de plus en plus populaires, il manque toujours des informations sur les préparations pharmaceutiques et les conditions nécessaires au maintien de l'efficacité du traitement par phages. En général, les préparations de bactériophages appliquées à des fins thérapeutiques sont produites sous forme liquide, et la durée de stockage de ces produits à 4 °C est considérée comme limitée à un an. C'est alors que la stabilité à moyen et à long terme implique principalement l'utilisation de bactériophages lyophilisés. D'où l'objectif de ce projet d'optimiser l'application potentielle du procédé de lyophilisation dans le traitement commercial du cocktail SPK, actif contre les bactéries Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa et Klebsiella pneumoniae en présence de différents stabilisants. Suite à une série de tests, le Tréhalose, le Saccharose et le Mannitol, le Maltose, le PEG600 et la combinaison Pullulant/ Tréhalose nous ont permis de préserver la stabilité de nos phages avec une perte de moins d'un log après lyophilisation et moins de 2 logs après une année de stockage. L'application de notre cocktail SPK dans des patchs, a démontré qu'il résiste assez bien à l'encapsulation dans des matrices biodégradables et maintien sa stabilité avec une durée de relargage acceptable, pour le traitement des plaies de brûlures de peau infectées. Mots clés : stabilité, lyophilisation, phage, bactériophage, relargage, patch, excipient, lyoprotectant, cryoprotectant.  ABSTRACT: Due to the growing problem of antibiotic-resistant bacteria emerging around the world, phage therapy has attracted scientists' efforts and the public interest. While phage research has been growing more popular, there is still a lack of information on pharmaceutical preparations and conditions for maintaining effectiveness for phage therapy.  In general, phage preparations applied for therapeutic purposes are produced in liquid form, and the shelf life of these products at 4 ℃ is limited to one year. Medium and long-term stability mainly involve the use of lyophilized bacteriophages. Lyophilization methods vary significantly in both stabilizers and lyophilization cycles. Hence, the objective of this project to optimize the potential application of the lyophilisation process in the commercial treatment of SPK cocktail, active against Staphylococcus aureus, Pseudomonas aeruginosa and Klebsiella pneumoniae bacteria, in presence of different stabilizers. Following a series of tests, Trehalose, Sucrose, Mannitol, Maltose, PEG600 and the combination Pullulant/ Trehalose allowed us to preserve the stability of our phages with a loss of less than one log directly after lyophilisation and fewer than 2 logs after a year of storage. The application of the SPK cocktail in patches, has demonstrated that it is quite resistant to encapsulation in biodegradable matrices and maintains its stability with an acceptable release time, for the treatment of infected skin burn wounds.  Key words: stability, lyophilization, phage, bacteriophage, release, patch, excipient, lyoprotectant, cryoprotectant.


identifier: Gendron, F. (2020). Conception et analyse du comportement mécanique de parapets préfabriqués pour les ponts avec joints de connexion en bétons fibrés ultra performants  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une grande proportion des parapets en béton armé que l'on retrouve sur les ponts au Québec montre systématiquement des signes de détérioration précoces. Cela implique nécessairement des travaux de réparation ou de reconstruction qui sont à la fois coûteux pour les propriétaires d'ouvrages et couteux en perte de temps causée par les chantiers routiers pour les usagers. Pour répondre à cette problématique, l'utilisation de parapets préfabriqués et l'utilisation de bétons fibrés ultra performants (BFUP) est envisagée afin d'accélérer les travaux de construction et d'augmenter la durabilité des parapets.  ABSTRACT: A large proportion of Quebec's concrete bridge barriers consistently shows signs of early age deterioration. This necessarily involves retrofit or reconstruction work that is either costly for the bridge owners and costly in terms of time loss caused by the roadworks for the public. To address this issue, the use of prefabricated bridge barrier and the use of ultra high-performance fiber reinforced concrete (UHPFRC) is considered in order to accelerate the construction work and to increase the durability of the barriers.


identifier: Riera, A. (2019). Selectively Absorbing Plasmonic Metal-Island Films  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La perception de la couleur est un attribut fondamental de la vision humaine. Au quotidien, cela nous permet de rapidement reconnaître de la nature de nombreux matériaux et même d'attirer l'attention. La couleur d'un objet peut être modifiée en utilisant un revêtement contenant des pigments ou des colorants de la couleur souhaitée, qui préservent la morphologie et la composition de l'objet. La modification de la composition pour induire une coloration est très courante pour les plastiques et les verres. Cependant, le triage et la réutilisation des différents pigments est difficile voire impossible. Une alternative à l'utilisation de pigments ou de colorants, consiste à utiliser une coloration structurelle obtenue en modifiant la structure de la surface d'un matériau. Contrairement à la nature absorbante des colorants et des pigments, les couleurs structurelles sont généralement générées par diffraction et interférence. Cependant, la sensibilité angulaire peut être indésirable pour certaines applications. La couleur structurelle à base de matériaux plasmoniques suscite beaucoup d'intérêt pour remplacer le contrôle de la couleur d'un objet grâce à leur forte absorption due à l'excitation de plasmon de surface localisé (LSP). Ce phénomène est attribué à la présence d'électrons libres qui, lorsque exposé à un champ électromagnétique (EM), i.e. la lumière, peuvent osciller de manière cohérente. Jusqu'à présent, l'or et l'argent ont été au centre de la plupart des études sur le sujet, car ils présentent un fort pic d'absorption dans le visible. De plus, ils ont l'avantage de former des îlots isolés lors de leur croissance, supportant ainsi une résonance localisée du plasmon de surface (LSPR) aux premières étapes de la croissance avec des techniques de dépôt de type PVD. Malgré des travaux approfondis sur le sujet des nanoparticules (NPs) plasmoniques, leur incorporation à des applications commerciales s'est limité principalement, par exemple, à des capteurs exploitant le champ électromagnétique local renforcé en raison de l'excitation du LSP pour augmenter la sensibilité de la spectroscopie Raman. Cependant, leur utilisation en tant que filtre absorbant pour induire une couleur à des fins esthétiques n'a pas encore été exploitée significativement. Certaines vitres architecturales ont une couleur induite par la présence de NPs de métaux nobles. L'utilisation de ces NPs métalliques pourrait aussi servir à remplacer des revêtements pour lunettes ophtalmiques. Le contrôle de la taille et de la forme des NPs a une incidence sur la fréquence de résonance et le contrôle de la morphologie est difficile avec les méthodes de dépôt industrielles classiques telles que la pulvérisation magnétron et l'évaporation. La réduction chimique de l'or en solution permet la fabrication de différentes formes de NPs avec un contrôle de leur taille, mais le transfert de ces particules sur de grandes surfaces est difficile.  ABSTRACT: The perception of color is a fundamental attribute to human vision. During our dailylife it serves us to better understand our environment as we can recognize many different materials and textures due to their color and appearance. An object's color can be altered by utilizing coatings containing pigments or dyes of the desired color which preserve the object's morphology and composition. This modification of the composition to induce a coloration is very common for plastics and glasses but the removal of the different pigments is difficult at the product's end of life. An alternative to the use of pigments or dyes, which can have poor resistance to photobleaching and pose problems for recycling, is the use of structural coloring which is achieved by modifying the surface structure of a material. Contrary to the absorption nature of dyes and pigments, structural colors are generally generated through diffraction and interference. However, their inherent angular color variation (iridescence) can be unwanted in some applications. Plasmonic-based structural color is emerging as a substitute to control an object's color through absorption due to the excitation of localized surface plasmons (LSPs) when confined free electrons are exposed to an electromagnetic (EM) field, i.e., light. So far, gold and silver have been the center of much of the studies on the subject as they display a strong absorption peak in the visible and generally naturally form isolated islands in their early growth stages, supporting a localized surface plasmon resonance (LSPR). Despite extensive work on the subject of plasmonic nanoparticles (NPs), their incorporation into commercial applications are mostly limited to sensors exploiting the EM field enhancement procured by LSP excitation to increase Raman spectroscopy sensitivity for example. This study aims at evaluating their use as absorbing filters to induce color for aesthetic purposes. The size and shape controls of the NPs affect the resonance frequency and the morphology control is difficult with conventional industrial deposition methods such as magnetron sputtering and evaporation. The chemical reduction of gold in solution allows the manufacturing of various NPs shapes with control on their size but the transfer of these particles onto large surfaces is challenging. In the present case, the aim is to control the absorption peak but also to have a narrow absorption band in the visible using magnetron sputtering as a deposition technique as it allows the coating of large surfaces and is widely employed in the thin-film industry.


identifier: Buades Marcos, D. (2019). A Deep Learning Approach for Condition-Based Fault Prediction in Industrial Equipment  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Tout type de système se dégrade avec l'usage et le temps. Adopter une bonne stratégie de maintenance est donc nécessaire afin que les équipements industriels fonctionnent adéquatement tout au long de leur durée de vie. Au fur et à mesure que l'importance accordée à la santé et la sécurité augmente dans les industries, la maintenance devient de plus en plus imposante. Ceci conduit donc au développement de stratégies de maintenance plus sophistiquées. Parmi ces stratégies, la Maintenance Conditionnelle (« Condition-Based Maintenance ») est la plus avancée d'entre elles. Par ailleurs, avec l'avènement de l'Industrie 4.0, le nombre de capteurs dans l'industrie augmente rapidement, ouvrant la porte à la surveillance continue et automatique des équipements industriels. Plus particulièrement, nous présentons une technique où l'indicateur de fautes futures est basé sur la différence entre la valeur d'une variable mesurable quelconque et la valeur attendue de cette variable lors de son opération normale. Le fait de devoir estimer correctement la valeur de ce paramètre fait intervenir la maintenance en plus de la prévision. Nous proposons alors d'utiliser l'apprentissage machine (« Machine Learning »), plus précisément un réseau de neurones profond (« Deep Neural Network »), afin de prédire la valeur du paramètre. La théorie dernière ces techniques est présentée dans ce travail, portant une attention particulière aux réseaux LSTM  (« Long Short-Term Memory »). Ce type d'architecture neuronale est adaptée pour la prévision impliquant des séries temporelles à plusieurs variables, qui est le type de données enregistrées par les capteurs en industrie.  Dans ce travail, la technique de prédiction de fautes est appliquée aux électrolyseurs. Un électrolyseur est un système composé de plusieurs cellules électrochimiques où l'électrolyse a lieu. La présence de fautes inattendues peut mener à des incidents catastrophiques pouvant causer de grands torts aux employés et à l'environnement. Les cellules électrochimiques se comportent comme une résistance électrique. En effet, lorsqu'un courant est appliqué à ses bornes, ceci provoque une chute de tension. L'amplitude de cette chute de tension dépend des conditions d'opération ainsi que de la dégradation de la cellule, qui n'est pas connue. De ce fait, la tension est la variable surveillée du système afin de pouvoir prévoir les fautes, puisque sa valeur augmente soudainement lorsqu'une faute est sur le point de se produire. Nous présentons les limitations reliées aux données disponibles. Afin de surmonter ces limitations, nous voulons nous baser seulement sur les données provenant des capteurs et non pas sur une intervention humaine. Nous proposons donc une nouvelle approche basée sur un réseau de neurones de type encodeur-décodeur. Le réseau reçoit les conditions de fonctionnement en entrée. Le rôle de l'encodeur est de trouver une représentation fidèle de la dégradation et de la transmettre au décodeur. Quant à lui, son rôle est de prédire la tension de la cellule. Comme aucune donnée de dégradation n'est fournie au réseau, nous considérons notre approche comme étant un encodeur auto-supervisé (« Self-Supervised Encoder »). De même, la sortie de l'encodeur peut être représentée graphiquement, rendant possible l'interprétation du réseau de neurones développé. Après le développement du modèle, il est testé et les résultats obtenus sont comparés avec ceux du modèle paramétrique présentement utilisé à cette fin, qui est défini par des experts. Les résultats montrent que le réseau de neurones est apte à prédire le voltage de plusieurs cellules comportant des niveaux de dégradation différents. Par ailleurs, l'erreur de prédiction est réduite de 53 % par rapport au modèle paramétrique. Cette amélioration permet à notre modèle de prédire une faute 31 heures avant qu'elle ne se produise. Ceci correspond à une augmentation du temps de réaction de 64 % comparativement aux résultats obtenus avec le modèle paramétrique.  ABSTRACT: Systems always degrade with use and time. A good maintenance strategy is necessary for keeping industrial equipment working as designed throughout its lifetime. As safety and quality concerns raised in industry, the importance of maintenance evolved, leading to the development of sophisticated maintenance strategies. Among them, Condition-Based Maintenance is the most advanced. It is based on the monitorization of the system's properties, detecting impending faults, and triggering maintenance actions only when the system is going to fail. Moreover, with the advent of Industry 4.0, the number of sensors in industry is rapidly increasing, opening the door to the continuous and automatic monitorization of industrial equipment. In particular, we present a technique where the indicator of an incoming fault is based on the divergence between the value of a measurable feature and its expected value in a healthy system. The need to correctly estimate the variable's value involves both maintenance and forecasting. We propose using Machine Learning algorithms for predicting the variable and, more concretely, Deep Neural Networks. We introduce the theory behind them, paying particular attention to Long Short-Term Memory (LSTM) networks. This neural architecture is suited for forecasting multivariate time series data, which is the one registered by industrial sensors. We apply this fault prediction technique to an electrolyzer. Electrolyzers are systems composed of multiple electrochemical cells, where electrolysis takes place. Unexpected cells' faults may lead to catastrophic incidents, such as explosions and fire, with the consequent harm to the plant's operators and the environment. Electrochemical cells act similarly to resistors, causing a voltage drop when a current is applied to them. The magnitude of this voltage drop depends on the operating conditions and the cell's degradation, which is not known. The voltage is the monitored variable for predicting the faults, as it increases suddenly when a fault is about to happen. We present the limitations related to the available data. In order to overcome them, relying only on sensors' data and without human interaction, we propose a new approach based on an encoder-decoder neural architecture. The network receives the operating conditions as input. The encoder's task is to find a faithful representation of the degradation and to pass it to the decoder, which in turn predicts the cell's voltage. As no labeled degradation data is given to the network, we consider our approach to be a self-supervised encoder. Moreover, the output of the encoder can be plotted in a graph, adding interpretability to the neural network model. We compare the results obtained by our network to the expert-defined parametric model that is currently used for this task. Results show that our neural network is able to predict the voltage of multiple cells with different levels of degradation. Moreover, it reduces the prediction error that was obtained by the parametric model by 53%. This improvement enabled our network to predict a fault 31 hours before it happened, a 64% increase in reaction time compared to the parametric model.


identifier: Woodward-Gagné, S. (2019). Tailoring Absorption in Optical Thin Films Using Atomic Layer Deposition of High Quality Titanium Nitride  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le dépôt par couche atomique (ALD) est un type de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)dans lequel la croissance se produit par monocouches atomiques successives. La méthode présente un grand potentiel pour le traitement de revêtements optique car l'épaisseur précise et la haute conformité des dépôts ALD les rendent très utiles pour adapter les propriétés optiques de matériaux nanostructurés. En effet, de nombreux travaux ont été réalisés sur la modification de structures photoniques utilisant diverses épaisseurs de matériaux diélectriques déposés par ALD. La même technique pourrait être utilisée pour contrôler l'absorption optique dans des matériaux similaires, mais les revêtements métalliques et les nitrure métalliques produit par ALD demeurent d'une qualité inférieure à ceux produit par d'autres méthodes. Dans cette thèse, nous optimisons le dépôt de TiN par ALD pour des applications optiques et proposons un moyen d'améliorer ses propriétés grâce à l'utilisation du dépôt de couche atomique assisté par plasma à cathode creuse (HC-PEALD). Des couches de TiN sont d'abord déposées par ALD, puis par HC-PEALD, et les paramètres de dépôt sont variés dans les deux cas afin de déterminer leur effet sur les propriétés des revêtements. Comme le second processus est plus complexe et relativement nouveau, une grande attention est accordée à sa caractérisation. Nous constatons que l'utilisation d'un plasma à cathode creuse peut diminuer la contamination au chlore et augmenter le taux de croissance par rapport à d'autres types de source plasma dans le dépôt de couche atomique amélioré par plasma. Notre TiN optimisé est ensuite utilisé pour ajuster l'absorption de revêtements colonnaires inclinés (SCTF) en SiO2 en déposant de fines couches conformes de TiN absorbant autour des colonnes diélectriques. Ces colonnes core-shell présentent une sélectivité angulaire similaire à celle observée dans les revêtements colonnaires métalliques. Nous déterminons que l'utilisation du dépôt de couche atomique dans ce contexte permet un réglage précis de l'absorption visible qu'il serait difficile d'obtenir uniquement à l'aide de SCTF métalliques. De plus, le procédé proposé permet l'utilisation de matériaux à partir desquels les SCTF ne pourraient normalement pas être fabriqués.  ABSTRACT: Atomic layer deposition (ALD) is a type of chemical vapour deposition (CVD) in which growth occurs though successive atomic monolayers. The method is of great interest for optical coating processing as the precise thickness and high conformity of ALD films make them very useful for tailoring the optical properties of nanostructured coatings. Indeed much work has been done pertaining to the tuning of photonic structures using varying thicknesses of dielectric materials deposited by ALD. The same technique could be used to tune optical absorption in similar types of nano-structured films however much less research has been done on this topic as the quality of metal and metal nitride films processed by ALD lags behind those processed by other methods. In this thesis, we optimize TiN ALD for optical applications and propose a way of improving its quality through the use of hollow cathode plasma enhanced atomic layer deposition (HCPEALD). Films are deposited first by ALD and then by HC-PEALD and process parameters are varied in both cases to determine their effect on film properties. Since the second process is more complex and relatively novel, great attention is given to characterising it. We find that using a hollow cathode plasma source can reduce chlorine content and increase growth rate as compared to competing sources in PEALD. Our optimized TiN is used to tune absorption in SiO2 slanted columnar thin films (SCTFs)  by depositing thin conformal layers of absorbing material around the dielectric columns. These core-shell columns are found to exhibit angular selective properties similar to what is observed in metallic columnar films. We find the use of ALD in this context enables precise tuning of visible absorption that would be difficult to obtain only using metallic SCTFs. Furthermore, with the proposed method, materials can be used from which SCTFs could not normally be made.


identifier: Amiot, S. (2020). Optimisation de la capacité de traitement des eaux usées municipales des plantations filtrantes de saules  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les plantations filtrantes de saules (PFS) représentent une technologie qui a un potentiel élevé pour procéder au traitement des eaux usées des petites municipalités (entre 300 à 800 habitants). Pour ces municipalités la technologie des PFS peut représenter une alternative moins coûteuse et plus facile que les systèmes de traitement conventionnel, qui demande des infrastructures importantes et une main d'oeuvre qualifiée. Les PFS permettent, de leur côté, d'utiliser les nutriments contenus dans les eaux usées et l'eau en vue d'assurer la croissance de la plantation de saules. Les saules peuvent par la suite être valorisés (à des fins énergétiques par exemple). En contrepartie, les PFS requièrent un espace important et nécessitent un étang de stockage pendant la période hivernale. L'optimisation de la capacité de traitement des PFS permettrait d'élargir la plage d'accessibilité du procédé et réduire l'espace de culture.  ABSTRACT: Short-rotation willow coppice used as a vegetation filter (SRWC) is a technology, which offers great potential for the treatment of wastewater from small municipalities (between 300 to 800 population equivalent). For those municipalities, SRWC could be less expensive and easier to apply than conventional treatments, which require additional qualified personnel and larger infrastructure. SWRC uses the water and its nutrients contained in the wastewater to fulfill the plant's needs. Afterward, the willow can be valorized. To reach acceptable performance, the SWRC requires significant space and a storage to accumulate water during winter. However, optimization of the wastewater treatment capacity of SWRC, as proposed in this work, could expand the process's accessibility range and reduce the space required.


identifier: Maltais-Tariant, R. (2019). Real-Time OCT Surveillance of Laser Therapy Through Speckle Decorrelation  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La thérapie laser est une technique exploitant les interactions entre la lumière et les tissues biologiques pour traiter des maladies. Par exemple, il est possible d'utiliser l'énergie des photons pour chauffer et ainsi causer une coagulation du tissue dans le but de détruire un cancer qui y serait présent. C'est notamment ce qui est fait dans le cas de l'oesophage de Barrett, un précurseur du cancer de l'oesophage. Le problème de ces thérapies est qu'il est très difficile de connaître la profondeur de la coagulation causée par le traitement. Puisque les résultats de ces thérapies sont très peu reproductibles, il existe des risques de surexposition ou de sous-exposition. Une surexposition peut avoir des conséquences diverses incluant des complications necessitant une chirurgie alors que pour une sous-exposition, le traitement devra être répété, impliquant plusieurs chirurgies. Pour répondre à cette problématique, plusieurs techniques capables d'identifier la coagulation des tissues ont été développées. Par exemple, la tomographie par cohérence optique (Optical Coherence Tomography ou OCT) est une technique d'imagerie non invasive permettant d'imager la structure des tissues biologiques sur quelques millimètres de profondeur avec une résolution aux alentours de 1-15 micromètres. Elle est d'ailleurs utilisée dans le diagnostic de l'oesophage de Barrett. Elle est aussi capable d'observer plusieurs changements dans le tissue lorsque celui-ci coagule. En l'occurence, le bruit de tavelure ou «speckle pattern» visible à l'OCT subit un changement dans le temps durant la coagulation du tissue avant de se stabiliser une fois que la coagulation est complétée. Ce changement peut être utilisé pour suivre la coagulation du tissue. Pour y parvenir, un coupleur à double gaine (DCFC, de l'anglais Double-Clad Fiber Coupler) a été utilisé pour combiner l'imagerie OCT et le traitement laser au sein d'une seule fibre à double gaine (DCF, de l'anglais Double-Clad Fiber) garantissant la superposition des deux modalités. Un système a été bâti dans le but de permettre l'imagerie OCT et la thérapie laser par coagulation thermique simultanément. La corrélation de second-ordre a été utilisée sur l'image OCT pour quantifier le changement du patron de tavelure. Grâce à ce système, il est possible de contrôler la profondeur du traitement laser avec un arrêt automatique lorsque cette profondeur est atteinte. Notre technique a été appliquée avec succès en temps réel à des muscles de rat ex-vivo et nos résultats ont été confirmés par histologie.  ABSTRACT: Laser therapy is a technique exploiting interaction between light and biological tissues for the treatment of illnesses. One of its variations is thermal coagulation where the energy of the light is used to heat up the tissue and cause thermal coagulation in order to kill cancerous cells. Among other applications, it is used in the treatment of the Barrett's esophagus, a potential precursor to esophageal cancer. The challenge of such a therapy is controlling the depth of the induced thermal coagulation. There is a risk of either overexposing or underexposing the tissue to laser light. In the former case, we cause more damage than necessary; in the latter case, we miss the targeted pathology, given it a chance to persist. Because of this issue, several coagulation-monitoring methods have been proposed. A few of those techniques are based on optical coherence tomography (OCT), a non-invasive optical technique capable of imaging tissue structures with a typical depth of field of a few millimeters and a depth resolution ranging from 1 to 15 microns. This allows for the observation of changes during the coagulation process. Among those changes, is the variation of speckle pattern as the tissue is heated, before stabilizing once the tissue is fully coagulated. OCT has also been proposed as a diagnostic tool for Barrett's esophagus, making it an ideal candidate to perform both identification of the lesion and monitoring of the treatment. The variation of the speckle pattern has already been suggested to monitor the progression of coagulation, but, to our knowledge, it was never demonstrated in real time. Two issues remain. First, the ability to concurrently obtain images and apply the laser therapy, and second, a computational tool which calculates speckle decorrelation in real time. To accomplish the first challenge, a double-clad fiber coupler (DCFC) was used to combine both OCT imaging and laser therapy through a single double-clad fiber (DCF) for co-registered imaging and therapy. In parallel, the second-order correlation function was used to quantify the change in speckle pattern and allow rapid monitoring of the coagulation. Our system allows for controlled thermal coagulation depth with the automatic stop of the therapy laser. It was tested on rat muscle in real time with results confirmed by histology. The algorithm we developed includes noise and motion correction. During coagulation, the attenuation coefficient of the treated tissue increases, attenuating more light, thus lowering the signal-to-noise ratio (SNR) with depth. The noise correction allows for the continuous monitoring at those depths, despite the low SNR. Further correction was necessary as in-vivo monitoring involves motion, either induced by the breathing patient, the operator or the device itself.


identifier: Lavoie-Deraspe, J. (2019). Étude du comportement hydrogéologique de couvertures avec effets de barrière capillaire sur une halde à stériles de grande dimension  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La restauration de haldes à stériles miniers de grande envergure est un défi de taille pour les entreprises minières. Les couvertures avec effets de barrière capillaire (CEBC) sont principalement utilisées pour contrôler la génération d'acide sur les parcs à résidus minier, mais plus rarement sur les haldes à stériles. Le principe de cette méthode de recouvrement est de placer une couche de matériel fin sur une couche de matériel plus grossier. Le matériel fin demeure saturé en eau grâce aux effets de barrière capillaire (Aubertin et al. 1995, Bussière et al. 1999). La diffusion d'oxygène est ainsi diminuée, ce qui limite le drainage minier acide (DMA) dans les rejets minier. Par ailleurs, pour qu'une CEBC soit efficace, la succion dans la couche de rétention d'eau ne doit pas être plus grande que la pression d'entrée d'air puisque cela pourrait induire une désaturation du matériel fin et, par le fait même, une perte de performance de la CEBC. Ces conditions peuvent théoriquement être rencontrées dans les haldes à stériles de grandes dimensions. L'objectif du projet est donc de déterminer l'efficacité de CEBC comme méthode de restauration de la surface horizontale d'une halde à stériles miniers de grande dimension à l'aide de modèles physiques à échelle intermédiaire sur le terrain et de simulations numériques. Pour ce faire, des cellules expérimentales instrumentées (CS2 et CS3) représentant des scénarios de recouvrement de type CEBC ont été construites sur le site de la Mine Canadian Malartic (MCM). La cellule CS2 est une CEBC typique comprenant une couche de bris capillaire de 0,5 m d'épaisseur, une couche de rétention d'eau de 1 m d'épaisseur et une couche de protection de 0,3 m d'épaisseur. La cellule CS3 est une CEBC n'ayant pas de couche dédiée au bris capillaire, mais dont la halde à stériles fait état de bris capillaire. Cette cellule comprend une couche de rétention d'eau de 1,8 m d'épaisseur et une couche de protection de 0,3 m d'épaisseur. Les résidus miniers de la MCM ont été utilisés pour construire la couche de rétention d'eau et des stériles de la MCM concassés ont été utilisés pour construire la couche de bris capillaire et la couche de protection. Ces matériaux ont été caractérisés en laboratoire afin de déterminer leurs propriétés physiques, hydrogéologiques, chimiques et minéralogiques. Pour déterminer l'efficacité de ces recouvrements, des données hydrogéologiques (succion, teneurs en eau volumiques (θ)) ont été mesurées dans les cellules expérimentales et comparées avec les résultats de simulations numériques. La migration de l'oxygène a également été évaluée à l'aide d'essais de diffusion/consommation d'oxygène d'oxygène in situ. Les résultats des données hydrogéologiques pour les deux cellules présentent des valeurs de teneurs en eau volumiques relativement élevées dans les couches de rétention d'eau et des valeurs plus faibles dans les couches de bris capillaire et dans les couches de protection. Les valeurs moyennes de succions mesurées se situent au-dessous de 5kPa dans les couches de bris capillaire et dans les stériles sous les recouvrement. Dans le bas des couches de rétention d'eau, les valeurs moyennes sont de 6 (CS2) et 7 kPa (CS3) et elles augmentent jusqu'à des valeurs moyennes d'environ 20 kPa dans le haut des couches de rétention d'eau. Ce comportement, obtenu pour les teneurs en eau volumiques et pour les succions, est celui attendu d'une CEBC; le bris capillaire est présent dans les deux cellules. Les degrés de saturation calculés à partir des valeurs maximales de teneurs en eau volumiques et pour une porosité moyenne de 0,44 sont de 70% et 100% aux endroits où sont placés les senseurs dans la cellule CS2. Pour la cellule CS3, les degrés de saturation dans la couche de rétention d'eau calculés à partir des valeurs de teneurs en eau volumiques maximales et selon une porosité moyenne de 0,48, sont entre 50 et 70 %, dépendamment des profondeurs. Selon la courbe de rétention d'eau (CRE) obtenue en laboratoire, la pression d'entrée d'air des résidus est d'environ 30 kPa, or le degré de saturation devrait être plus élevé pour s'accorder parfaitement aux succions obtenues. Les teneurs en eau volumiques augmentent avec le temps. Elles correspondent mieux à une CRE en période de mouillage. Les teneurs en eau volumiques de mise en place étant faibles, elles devraient augmenter avec le temps. Les essais de diffusion/consommation d'oxygène ont permis de déterminer des coefficients de diffusion de l'oxygène (De) en ajustant la courbe obtenue lors des essais à des courbes obtenues avec le logiciel Pollute V07 (Pollute) (Rowe et Booker, 2004). Le coefficient du taux de réaction de l'oxygène (Kr) a été fixé à 1x10 3hr- 1 pour les simulations dans le logiciel Pollute; il s'agit d'une valeur obtenue en laboratoire dans l'essai à deux réservoirs. Les De obtenus sont compris entre 3x10- 8 et 1x10-10 m2/s pour la cellule CS2 et entre 3x10-9 et 1x10-10 m2/s pour la cellule CS3. Ces valeurs correspondent à des degrés de saturation moyens équivalents à plus de 80 % pour les deux cellules selon des équations de prédiction proposées par Aachib (2004). Ces résultats sont obtenus pour des système homogènes équivalents aux conditions de terrain, qui ne correspondent pas au degré de saturation moyen réel des cellules. Ces essais semblent donc contrôlés par des sections davantage saturées de la couche de rétention d'eau, pour lesquelles les teneurs en eau volumiques ne seraient pas mesurées par les senseurs. Des flux d'oxygène ont pu être calculés à partir de ces paramètres (Kr et De) afin de représenter un cas où la halde à stériles serait complétement recouverte. Pour ce faire, l'équation analytique, présentée dans Mbonimpa et al. (2003) pour un matériel réactif sous des conditions de régime permanent, ont été utilisées. Les résultats obtenus sont compris entre de 10-7 et 10- 9 mol/m2/an pour les essais effectués en 2017 dans la cellule CS2. Pour la cellule CS3, les flux calculés sont de l'ordre de 10 9 mol/m2/an pour tous les essais sauf un, pour lequel le flux est de l'ordre de 10-4 mol/m2/an. Ces résultats sont tous sous les seuils d'une CEBC efficace présentés dans Dagenais et al. (2012), soit 0,6 et 1,25 mol/m2/an. Les simulations numériques ayant été effectuées pour représenter un système équivalent aux conditions sur le terrain montrent que les succions d'environ 4 kPa au bas de la couche de rétention d'eau et dans la couche de bris capillaire juste au-dessous. Les succions augmentent avec l'élévation dans la couche de rétention d'eau. Elles s'accordent bien aux succions mesurées dans les cellules. Ces mêmes résultats sont obtenus avec des profondeurs de nappe phréatique différentes sous la cellule, soit de -1 m, -5 m et -15 m. Selon ces simulations, la profondeur de la nappe phréatique n'a pas d'influence sur les teneurs en eau volumiques ni sur les succions dans le recouvrement. Cela permet également de démontrer que les succions ne sont pas plus élevées lorsque l'élévation par rapport à la nappe phréatique est plus grande. C'est également ce qui est mesuré sur le terrain. Les simulations prédisent une couche de rétention d'eau entièrement saturée à plus de 85 %. Une simulation a été effectuée avec les teneurs en eau volumiques mesurées sur le terrain comme état initial. Les résultats démontrent que la couche de rétention d'eau pourrait prendre plusieurs années à se saturer. Cela pourrait expliquer, en partie, les valeurs de teneurs en eau volumiques plus faibles mesurées dans les cellules expérimentales. Selon les résultats des simulations numériques et des essais et mesures sur le terrain, les CEBC pourraient être efficaces pour diminuer à long terme la diffusion d'oxygène et ainsi contrôler la formation de DMA dans les stériles sous-jacents sur les zones planes de la halde à stériles.  ABSTRACT: Reclamation of large waste rock piles is a great challenge for the mining industry. Covers with capillary barrier effect (CCBE) are mainly used to control acid mine drainage (AMD) on mine tailing ponds and more rarely on waste rock piles. This method involves the installation of a layer of a fine-grained material on a layer of a coarser grained material. The top layer's saturation is maintained by the capillary barrier effect (Aubertin et al. 1995, Bussière et al. 1999) . The saturated layer limits the oxygen diffusion through the mining waste, which limits the AMD. The suction in the water retention layer must not exceed the air entry value of the fine-grained material for this method to be effective, because it could lead to a desaturation. Those conditions could theoretically occur on large waste rock piles. Therefore, the objective of this project is to determine the efficiency of a CCBE as a method to reclaim large waste rock piles, with physical models at intermediary scale on the field and numerical simulations to validate field measurements. To do this, two instrumented field cells (CS2 and CS3) have been built on the Canadian Malartic mine site (CMM). The CS2 cell is a typical CCBE which is made of a 0,5m thick capillary break layer, a 1 m thick water retention layer and a 0,3 m thick protection layer. The CS3 cell is a CCBE for which the waste rock pile serves as a capillary break. The cell is made of a 1,8 m thick water retention layer and a 0,3 m thick protection layer. Tailings from CMM were used to build the water retention layers and waste rocks from CMM were used to build the capillary break and the protection layers. The physical, hydrogeological, chemical and mineralogical properties of those materials have been characterized in the laboratory. To determine if the covers are effective to limit oxygen diffusion, hydrogeological data (suction and volumetric water content) was collected in the field cells and compared with numerical simulations solutions. Oxygen migration was also studied using in situ oxygen diffusion/consumption test. The hydrogeological data measured in both cells shows relatively high volumetric water content values in the water retention layer and lower values in the capillary break layer and in the top protection layer. The average suctions are under 5 kPa in the capillary break layer and in the waste rock under the cells. In the lower water retention layer, the average suction values are 6 (CS2) and 7 kPa (CS3) and they increase up to values around 20 kPa in the upper water retention layer. The behavior shown by the volumetric water content and suction profiles is what is expected of a CCBE; the capillary break is present in both cells. The degrees of saturation calculated from the maximum volumetric water content values measured and for an average porosity of 0.44 are 70 and 100 % in the CS2 cell. In the CS3 cell, the degrees of saturation in the water retention layer, calculated from the maximum volumetric water content values measured with an average porosity of 0.48, are between 50 and 70 %, depending on the depths. According to the water retention curve (WRC) obtained in the laboratory, the air entry value is about 30 kPa. The degree of saturation should be higher to match the suction values obtained. Since the volumetric water content increases with time, the system is wetting. The suctions would better fit on a wetting water retention curve. Volumetric water content values could increase with time. Oxygen diffusion/consumption tests were used to determine the effective diffusion coefficients (De) by adjusting the data obtained during the tests with the curves obtained with the Pollute V07 (Pollute) software (Rowe et Booker, 2004). The reaction consumption rate (Kr) was fixed at 1x10-3hr-1 for all the simulations in Pollute. This value was obtained from the laboratory in diffusion cell (two reservoirs cell). For the CS2 cell, the values of De are between 3x10-8 and 1x10-10 m2/s and they are between 3x10-9 and 1x10-10 m2/s for the CS3 cell. Those tests seem to be controlled by sections of the water retention layer which are probably more saturated than what was measured with the sensors. Oxygen fluxes through the base of the covers were calculated with the analytic equation presented in Mbonimpa et al. (2003) for a reactive material under steady state conditions with the Kr and De obtained from the oxygen diffusion/consumption tests. It represents a case where the waste rock pile would be completely covered. The calculated fluxes are between 10-7 and 10-9 mol/m2/yr for the MOC tests performed in 2017 in the CS2 cell. For the CS3 cell, the fluxes calculated are close to 10 - 9 mol /m2 / yr for all the tests except for a single test where the flux is 10- 4 mol/ m2 / year. These results are all below the thresholds for an effective CCBE presented in Dagenais et al. (2012), which are between 0.6 and 1.25 mol /m2 / yr. Numerical simulations have been performed to represent a system equivalent to field conditions. Results of those simulations show that suctions values are close from the ones obtain in the field measurements. They are approximately 4 kPa at the bottom of the water retention layer and in the capillary break layer just below. The suctions values increase with the rise in the water retention layer. The same results are obtained with different water table depths simulated under the cell, i.e. -1m, -5m and -15m. According to these simulations, the depth of the water table has no effect on the volumetric water content, nor on the suctions in the water retention layer. This also shows that the suctions are not higher when the water table under the cells in deeper, as it was observed in the field. The simulations predict a water retention layer saturated at over 85 %, which is not what we observed in the field cells. Another simulation was performed with volumetric water content values close from the field cells initial state. The results show that the water retention layer may take several years to fully saturate. This could partly explain the lower values obtained in the field cells. Based on the results obtained from numerical simulations and field tests and measurements, the CCBEs tested could be effective in decreasing the oxygen diffusion in the long term and thus control the formation of AMD from the underlying waste rock on the horizontal parts of a waste rock pile.


identifier: Delacroix, B. (2019). Développement d'un modèle CFD-DEM en référentiel non-inertiel pour des applications au mélange solide-liquide  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Nous pouvons regretter aujourd'hui encore que la majorité des études portant sur le mélange solide-liquide se base sur des corrélations empiriques dont la précision n'a de cesse d'être remise en cause et dont les applications sont valides pour des cas de figures extrêmement précis. L'exemple le plus frappant est la corrélation de Zwietering publiée il y a plus de 60 ans maintenant, mais qui est encore au coeur de tous les débats. Nous pensions alors qu'il était plus facile, pour mélanger deux substances, d'agiter rapidement pour créer un maximum de turbulence. Cette idée, plutôt compréhensible, a donc mené à des centaines d'études de mélange solide-liquide sur le régime turbulent. Cependant, aujourd'hui, on peut noter de plus en plus d'applications industrielles en régime laminaire et avec des concentrations en particules plus élevées. La compréhension des phénomènes physiques, sous-jacents à de tels systèmes, demeure, cependant, encore très limitée. C'est donc dans cette optique que ce projet de maitrise s'inscrit, à travers le développement d'un modèle numérique robuste et précis pour l'étude de systèmes de mélange solide-liquide en milieux visqueux.  ABSTRACT: Solid-liquid mixing is a significant process that is critical to pharmaceutical, biomechanical, food processing and other industries. Despite the relevance of solid-liquid mixing applications, the physics governing the suspension of particles in agitated vessels is still poorly understood. This can lead to sub-optimal designs and important energy waste or even an incapacity to achieve the desired mixing state. Important criteria that characterize solid-liquid mixing, like the just-suspended speed (Njs) and the homogeneity of the suspension, are difficult to predict. Consequently, engineers often rely on correlations to design solid-liquid mixing vessels, like the Zwietering correlation which is the most famous. But if these correlation present good results in turbulent regime it is not the case for the laminar. And today more and more industrial process occures with viscous fluid. That's why, there is a need for more studies on solid-liquid mixing in laminar regime and, more particularly, for new simulation models to predict suspension dynamics. Therefore, this master project is dedicate to the development of a robust and accurate numerical model for the study of solid-liquid mixing systems in viscous environments.


identifier: Delgado Sedano, L. (2019). Uncertainty Modeling in Robotic Maintenance Using Computer Vision  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'inspection visuelle automatisée est une technologie en expansion dans le domaine industriel, notamment pour l'identification et la réparation de pièces aéronautiques critiques défectueuses. Pour mesurer des défauts de surface, des images prises par un ou plusieurs systèmes d'acquisition sont traitées. Le traitement de ces images requiert de nombreux algorithmes de détection, de recalage, de segmentation et de classification des défauts observés. Dans le cas d'une acquisition robotisée, la cinématique du robot doit également être connue et prise en compte. Tous ces systèmes nécessitent une étape préliminaire d'étalonnage pour pouvoir extraire des informations précises des images capturées. Chaque étape d'un tel procédé possède plusieurs sources d'incertitude dues à des facteurs internes ou externes. L'évaluation de ces incertitudes permet de quantifier la qualité d'une mesure et d'identifier les parties d'un processus ayant une sensibilité accrue. Devant la multitude de systèmes présents dans une technologie d'inspection, l'objectif de ce projet est d'estimer les incertitudes associées au procédé d'acquisition 2D d'AV&R, i.e. l'étalonnage d'une caméra et des algorithmes de détection de défauts associés. Les pièces d'inspection utilisées dans ce projet sont des aubes de soufflante. Plus particulièrement, seuls les défauts proches du bord d'attaque et du pied de l'aube sont considérés, zone considérée comme critique. Huit acquisitions sont prises pour capturer l'ensemble de la zone critique de l'aube. Pour évaluer les incertitudes des deux méthodes d'étalonnage de camera d'AV&R, la méthode de Monte Carlo est utilisée. Dû à des contraintes de correspondance de référentiels et aux coûts liés à l'implémentation de cette méthode, l'algorithme d'étalonnage du focus et de la profondeur de champ est adapté à un langage de programmation plus approprié. Une méthode d'estimation de la pose de la caméra pour des points coplanaires, appelée Pose from Orthography and Scaling with Iterations (POSIT), est implémentée pour un setup similaire à celui d'AV&R afin de proposer une alternative à leur seconde méthode d'étalonnage. Parmi toutes les méthodes utilisées dans la routine de détection, un algorithme déterministe de détection de contours appelé Slope Detection est très sensible. En particulier, trois paramètres clés jouent un rôle important dans la variation du nombre de défauts détectés et du nombre de fausses détections : la taille du filtre, le seuil d'intensité et la taille minimale de défauts détectés. La corrélation entre les deux sorties de détection et les trois paramètres sensibles est quantifiée pour une acquisition. L'importance de chacun des paramètres est évaluée à l'aide d'une régression par forêt d'arbres décisionnels. Les incertitudes des algorithmes de détection dépendent des incertitudes d'étalonnage de la caméra. Étant donné que l'ensemble des incertitudes d'étalonnage n'est pas connu, une série d'images obtenues après étalonnage est utilisée pour évaluer l'incertitude de chaque pixel en prenant l'écart-type de l'intensité comme incertitude standard. Cela permet donc de tenir en compte les variabilités présentes au sein des processus d'étalonnage de la caméra dans l'évaluation des incertitudes de détection. L'incertitude du nombre de défauts détectés et du nombre de fausses détection fournis par Slope Detection est évaluée au moyen de simulations de Monte Carlo.  ABSTRACT: The automated visual inspection is a fast growing technology used in many industrial applications such as for the identification and the repair of damaged critical aeronautical parts. Measuring surface defects consists in taking images with one or several acquisition systems in order to apply digital image processing techniques. These methods use many different algorithms from detection and image registration to segmentation and classification of defects. For a robot-based acquisition, the robot kinematics must be taken into account. The aforementioned systems need a preliminary step of calibration to extract accurate information from the acquired images. Each step of this technology contains several sources of uncertainty due to internal and external factors. The evaluation of those uncertainties allows to quantify the quality of a measurement and identify the parts of the process having higher sensitivity to errors. Considering this large number of systems present in an inspection technology, the main objective of this project is to the estimate the uncertainties associated to the 2D acquisition process of AV&R, i.e. the camera calibration and the related defect detection algorithms. The inspection parts used in this project are fan blades. In particular, the assessment of detection uncertainties is focused on the defects near the leading edge and the root of the blade, the most critical zone. Eight acquisitions are acquired to cover the entire zone. To evaluate the uncertainty of both calibration methods developed by AV&R, the Monte Carlo method is used. Due to technical constrains on reference frames correspondence and the costs involved in the implementation of this method, the focus and depth of field calibration algorithm is adapted to a suitable programming language able to run Monte Carlo simulations. A camera pose estimation algorithm, called Pose from Orthography and Scaling with Iterations (POSIT), is implemented on a setup similar to the one used by AV&R in order to propose an alternative to their second calibration method. Among all the methods involved in the detection routine, a deterministic edge detection algorithm called Slope Detection is highly sensitive. In particular, three key parameters play an important role in the number of detected defects and the number of false detections: the filter size, the intensity threshold and the minimum size of detected defects. The correlation between both detection outputs and the three sensitive parameters is quantified for one particular acquisition. The importance of each variable is also estimated using a random forest regressor. The uncertainty of the detection algorithms relies on the uncertainty of the camera calibration methods. Since not all calibration uncertainties are known, a series of acquired post-calibration images is used to assess the uncertainty of each pixel considering the intensity standard deviation as the standard uncertainty. Therefore, the variability present within the camera calibration methods is taken into account in the evaluation of the detection uncertainties. The uncertainty of the detected defects and the number of false detections provided by Slope Detection is evaluated using Monte Carlo simulations.


identifier: Bernard, P. (2020). Simulation numérique de la réaction alcali-granulats dans le contexte d'ouvrages hydrauliques en béton  [Mémoire de maîtrise, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs structures de béton dans le monde sont sujettes à des dégradations accélérées dues à la réaction alcali-granulats (RAG). Lorsqu'elle se développe, cette réaction chimique a pour effet un gonflement du béton et des problèmes de fissuration. Les aménagements hydrauliques sont les ouvrages les plus touchés par ce phénomène du fait de leur exposition à des conditions humides favorables au développement de la réaction. Par conséquent, la sécurité et la performance de ces ouvrages peuvent être affectées au fil du temps, ce qui constitue un défi pour leurs propriétaires. Des outils adaptés tel que les analyses non-linéaires par éléments finis peuvent alors être utilisés pour la prédiction du comportement futur de ces ouvrages.  ABSTRACT: Several concrete structures around the world are subject to accelerated degradation due to the alkali-aggregate reaction (AAR). This chemical reaction causes concrete swelling and induces cracking. Hydraulic facilities are the structures most affected by this phenomenon because of their exposure to humid conditions, favorable to the development of the reaction. As a result, the safety and performance of these structures can be affected over time, posing a challenge to their owners. Suitable tools such as nonlinear finite element analysis can then be used to predict the future behavior of these structures.


identifier: Nekhoroshev, E. (2019). Thermodynamic Optimization Of The Na2O-K2O-Al2O3-CaO-MgO-B2O3-SiO2 System  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La connaissance des propriétés thermodynamiques des phases dans le système d'oxydes Na2OK2O-Al2O3-CaO-MgO-B2O3-SiO2 est importante dans plusieurs domaines, parmi lesquels on peut mentionner la production de verres, de céramiques, d'aciers ainsi que les applications en géologie. Le présent travail poursuit le développement d'une base de données thermodynamiques pour le système de sept oxydes. Le travail présenté ici se limite à l'étude des sous-systèmes incluant les oxydes de métaux alcalins. Les données expérimentales disponibles dans la littérature ont été collectées, analysées et utilisées pour une évaluation thermodynamique selon la méthode CALPHAD. Certaines approches ont été élaborées pour une meilleure description des systèmes silice-oxyde alcalin et des systèmes contenant du bore. D'habitude, les systèmes binaires et ternaires sont considérés comme les plus importants d'après la méthode CALPHAD tandis que les propriétés des systèmes ayant plusieurs composants doivent être prédites à partir des propriétés des sous-systèmes. Dans ce travail, nous avons prêté attention aux données disponibles dans les systèmes de plus de trois composants. Premièrement, il existe plusieurs solutions solides dont l'optimisation nécessite de considérer les données expérimentales dans ces systèmes. Deuxièmement, une bonne reproduction des données dans les systèmes ayant plusieurs composants est une preuve de la validité des optimisations pour les systèmes binaires et les ternaires. La modélisation des systèmes incluant les oxydes alcalins nécessite l'introduction d'espèces associées dans un modèle dont les paramètres peuvent être contraints seulement en utilisant des données des systèmes d'ordre supérieur.  ABSTRACT: The knowledge of thermodynamic properties of phases in the Na2O-K2O-Al2O3-CaO-MgO-B2O3- SiO2 system is important in many applications, such as glass production, production of ceramics, steel-making and geology. The current work continues the efforts in constructing a full and consistent database in the seven-component system. The scope of the work is limited to the alkalicontaining parts of the big system. The available data on phase relations and thermodynamic properties were collected, analysed, and used for a thermodynamic assessment using CALPHAD method. New modelling approaches had to be invented for a better description of alkali oxide-silica and boron-containing systems. Usually, CALPHAD method pays great attention to optimization of binary and ternary subsystems while the multicomponent systems are considered less important because their properties are supposed to arise from the properties of the subsystems. In this work, special attention was paid to the data on systems with a number of components greater than three. First, there are many solid solutions spreading through multicomponent systems and their optimization requires experimental data from these systems. Second, the reproduction of experimental data in multicomponent systems is a proof of correctness of optimizations in lower order systems. The modeling of alkali-containing systems requires the introduction of associate species which greatly increases the number of possible degrees of freedom in a model and which can sometimes be constrained only using data on higher order systems.


identifier: Tousignant, M. (2019). Modélisation de l'hystérésis et des courants de Foucault dans les circuits magnétiques par la méthode des éléments finis  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce travail de recherche porte sur le développement d'un modèle d'hystérésis pour représenter les propriétés des circuits magnétiques dans des simulations numériques par la méthode des éléments finis. Ce type de modèle permet d'améliorer la précision du calcul des pertes fer dans les simulations de machines électriques, afin d'éventuellement augmenter leur efficacité énergétique.Le modèle d'hystérésis développé se base sur le modèle de Preisach-Mayergoyz, réputé dans la littérature pour son excellente précision, mais qui souffre de mauvaises performances nu-mériques. Nous avons proposé un certain nombre de modifications au modèle de Preisach-Mayergoyz original, afin d'obtenir un modèle d'hystérésis environ 100 fois plus rapide à calculer, tout en maintenant le niveau de précision, et dont l'identification des paramètres est simplifiée.Le modèle de Preisach-Mayergoyz accéléré a été incorporé en tant que relation constitutive magnétique dans le logiciel de simulation éléments finis Altair FluxTM. Certaines formulations des équations de Maxwell utilisées dans ce logiciel nécessitent une relation constitutive sous la forme directe, i.e. qui donne l'induction B en fonction du champ magnétique H, alors que d'autres requièrent une relation constitutive sous la forme inverse. Étant donné que le modèle de Preisach-Mayergoyz accéléré se présente naturellement sous la forme directe, il a été nécessaire de développer une technique d'inversion qui permet de calculer H en fonction de B.Par ailleurs, afin d'améliorer la convergence des problèmes non-linéaires transitoires avec hystérésis, un certain nombre de méthodes ont été mises en place dans le logiciel Altair FluxTM. Ces méthodes nous ont permis d'utiliser efficacement le modèle de Preisach-Mayergoyz accéléré dans différents problèmes, dont certains cas d'applications industrielles.  ABSTRACT: This Ph.D thesis focuses on the development of a hysteresis model to represent the properties of magnetic circuits in numerical simulations using the finite element method. This type of model improves the accuracy of iron losses computation in the simulations of electrical machines, so that their energy efficiency can be increased. The hysteresis model which we have developed is based on the Preisach-Mayergoyz model, known in the literature for its excellent accuracy, but which suffers from poor numerical performance. We have proposed a certain number of modifications to the original Preisach-Mayergoyz model, in order to obtain a hysteresis model that is about 100 times faster to compute, while maintaining the same level of accuracy, and for which the parameter identification process is simplified. The resulting accelerated Preisach-Mayergoyz model was incorporated as a magnetic consti-tutive equation inside the finite element software Altair FluxTM. For certain formulations of Maxwell's equations used in this software, it is necessary to specify a constitutive equation in the direct form, i.e. that gives the induction B as a function of the magnetic field H, while some other formulations require a constitutive equation in the inverse form. Since the accelerated Preisach-Mayergoyz model is naturally formulated in the direct form, it was necessary to develop an inversion technique that allows us to compute H as a function of B. Furthermore, a certain number of methods were implemented in Altair FluxTM to improve the nonlinear convergence of transient problems with hysteresis. These methods enabled us to efficiently use the accelerated Preisach-Mayergoyz model in different academic and industrial test cases.


identifier: Letellier-Duchesne, S. (2019). Planning and Integrated Design of Urban Heat-Sharing Networks  [Thèse de doctorat, Polytechnique Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ces dernières années, les villes ont dû renforcer leurs obligations en matière de réduction de leur impact sur l'environnement. Heureusement, les villes relèvent ce défi et sont déterminées à trouver des solutions. La consommation d'énergie des bâtiments est l'un des principaux obstacles au développement durable. Les villes sont construites pour fournir des espaces confortables et habitables à leurs habitants, ainsi que pour assurer un environnement résistant aux événements météorologiques et climatiques. Cependant, fournir ce confort nécessite de grandes quantités d'énergie, ce qui participe aux changements climatiques.  Les besoins en énergie des bâtiments étant en grande partie le résultat de décisions en matière de conception, les constructeurs des villes de demain ont un contrôle sur les différentes solutions proposées dans le domaine de l'environnement bâti. Des solutions technologiques existent, mais la bonne solution doit être mise en œuvre dans le bon contexte. Cette thèse porte sur une solution technique clé : l'utilisation de réseaux urbains d'énergie pour répartir — ou partager — la chaleur entre les bâtiments et équilibrer les charges de chauffage et de refroidissement restantes avec des sources de chaleur ou des puits hautement efficaces et à faible émission de carbone.  Cette thèse est également motivée par les relations interdisciplinaires complexes entre les concepteurs participant à l'urbanisme, à l'architecture et à l'ingénierie de l'environnement bâti. Elle plaide en faveur d'un processus de conception intégrée piloté par les données et propose des méthodologies et des outils pour informer et activer ce processus de conception.  Un indicateur de performance, l'indice de diversité thermique, est proposée pour localiser et évaluer la compatibilité thermique entre des bâtiments présentant différents niveaux de filtrage spatio-temporel. La thèse apporte ensuite des contributions aux différentes étapes nécessaires à la conception et à l'évaluation de réseaux de partage de chaleur, faisant souvent partie de la 5e génération de systèmes de chauffage et de refroidissement urbains : évaluer la demande thermique des bâtiments à l'échelle de la ville en optimisant la topologie des réseaux urbains d'énergie et l'intégration de sources d'énergie efficaces et à faibles émissions de carbone.  Les archétypes, ou représentations typiques des bâtiments sont les fondements de nombreux outils de modélisation énergétique des bâtiments urbains (UBEM). Une méthodologie est proposée pour générer automatiquement des modèles d'archétype adaptés aux méthodes de modélisation contextuelles telles que celle implémentée dans UMI, l'un des principaux outils UBEM.  La thèse aborde ensuite la complexité de la combinaison de sources de données partiellement complètes et parfois contradictoires pour obtenir une carte dynamique de la demande de chaleur pour une ville telle que Montréal. La méthodologie proposée comprend l'utilisation d'empreintes de bâtiment virtuelles basées sur des données ALS (Airborne Laser Scanning) (également appelées données LiDAR) pour estimer les empreintes au sol et les hauteurs de bâtiment. Elle est appliquée pour obtenir une carte dynamique de la demande de chaleur de bâtiments résidentiels, commerciaux et institutionnels pour l'ensemble de la ville de Montréal.  Pour compléter le processus de conception des réseaux de partage de chaleur, cette thèse propose une méthodologie qui étend la capacité des algorithmes d'optimisation de la littérature utilisés pour les réseaux de chauffage et de refroidissement urbains : elle permet des flux de puissance bidirectionnels inhérents au partage de chaleur et optimise la compétitivité à long terme de l'approvisionnement en chaleur en équilibrant les coûts totaux d'exploitation et les coûts totaux d'investissement des différentes unités d'alimentation en chaleur.  L'algorithme proposé, avec les autres contributions de la thèse, ouvre la porte à un cadre d'optimisation visant à peser l'impact des choix de conception inhérents à la sélection de la densité de construction, de la forme du bâtiment et de ses performances. Cette thèse affirme que l'intégration de cette optimisation des réseaux de partage de chaleur dans la phase de planification peut avoir une incidence nouvelle et imprévue sur la performance environnementale des futurs quartiers. Conformément à cet objectif à long terme, les contributions méthodologiques ont été mises en œuvre dans des outils contribuant à l'expansion rapide du corpus de logiciels en code ouvert. Avec les contributions à la littérature et aux pratiques de planification des réseaux urbains d'énergie, ces outils offrent une solution à la planification et à la conception intégrée de réseaux de partage de chaleur en milieu urbain.  ABSTRACT: In recent years, cities have had to step up their obligations to reducing their impact on the environment. Fortunately, cities are rising to this challenge and are determined to find solutions. One piece of the larger sustainability problem is the energy use of buildings. Cities are built to provide comfortable and livable spaces to their inhabitants as well as ensure a resilient environment towards meteorological and climatic events. However, providing this comfort requires large amounts of energy, which exacerbates climate change.  Since the energy requirements of buildings are in large part the result of design decisions, the builders of cities have an innate control over the various solutions in the built environment problem space. Technological solutions exist, but the right solution must be implemented in the right context. This thesis focuses on one key technical solution: the use of district energy systems to distribute—or share—heat between buildings and balance the remaining heating and cooling loads with highly efficient, low-carbon heat sources or sinks.   This thesis is also motivated by the complex interdisciplinary relationships between designers participating in the urban planning, the architecture and the engineering of the built environment. It makes the case for a data-driven Integrated Design process and proposes methodologies and tools to inform and enable this design process.   An urban planning metric, the thermal diversity index, is proposed to locate and assess the thermal compatibility between buildings with various levels of spatial and temporal filtering. The thesis then makes contributions to the different steps required in designing and assessing heat-sharing networks, often part of the 5th generation district heating and cooling (5GDHC): assessing the thermal demand of buildings at the city scale, optimizing the topology of district systems, and integrating efficient and low-carbon energy sources within an overall optimization process.   Archetypes, or typical representations of buildings, are the foundation stones of many Urban Building Energy Modelling (UBEM) tools. A methodology is proposed to automatically generate archetype templates adapted to context-aware modelling methods such as the one implemented in UMI, one of the prominent UBEM tools.   The thesis then addresses the complexity of combining partially complete and sometimes contradictory data sources to obtain a dynamic heat demand map for a city such as Montréal,Canada. The proposed methodology includes the use of virtual building footprints based on Airborne Laser Scanning (ALS) data (also known as LiDAR data) to estimate building footprint areas and building heights. It is applied to obtain a dynamic heat demand map of residential, commercial and institutional buildings for the whole city of Montréal.  To complete the design process of heat-sharing networks, this dissertation proposes a methodology that expands the capability of state-of-the-art optimization algorithms used for district heating and cooling networks: it allows bidirectional power flows that are inherent to heat-sharing networks and optimizes the long-term competitiveness of heat supply by balancing the total operating costs and the total investment costs of different heat supply units.  The proposed algorithm, with the other contributions of the thesis, opens the door to an optimization framework aiming to weigh in the impact of design choices inherent to the selection of built density, building form and building systems performance. This thesis proclaims that bringing this optimization of heat-sharing networks inside the planning phase can impact the environmental performance of future districts in new and unforeseen ways. In line with this long-term goal, the methodological contributions were implemented in tools contributing to the rapidly expanding body of open source software. Together with the contributions to the literature and the district energy planning practice, these tools offer one solution to the planning and integrated design of urban heat-sharing networks.