identifier: Kalonji, K. (2016). Étude des propriétés rhéologiques et du transport du remblai cimenté en pâte en conditions nordiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le projet minier Meliadine (propriété des Mines Agnico Eagle, Ltée) au Nunavut étudie la possibilité de recourir au remblai cimenté en pâte (RCP) pour remblayer les chantiers souterrains vides. Compte tenu de températures très basses en hiver, il faut que le RCP puisse être transporté et distribué aux chantiers souterrains sans être gelé durant le transport en pipelines à un faible coût de pompage. Du fait que les chantiers miniers sont ouverts dans le pergélisol, le RCP doit aussi atteindre la résistance mécanique visée dans des conditions de cure à basse température. L'évolution de cette résistance mécanique devrait dépendre de l'évolution de la température de cure du RCP, incluant la température de déposition du RCP dans le chantier souterrain. La salinité naturelle de l'eau du pergélisol ainsi que celle apportée par l'utilisation de sels de déglaçage du minerai représentent un nouvel facteur d'influence non considéré dans les études existantes sur le RCP. Il s'avère pertinent de pouvoir prédire non seulement le comportement rhéologique du RCP en fonction des conditions thermiques au cours de son transport en pipeline, mais aussi l'évolution de la température du RCP le long du pipeline. Ce projet de recherche avait pour objectif principal de développer des outils d'aide à la conception du système de distribution de RCP dans les mines souterraines situées dans les zones de pergélisol. De façon plus spécifique, les objectifs du projet de recherche consistaient à : 1) étudier l'effet de la température et de la salinité sur les propriétés rhéologiques et thermiques des mélanges de RCP; 2) réaliser des mini-essais d'écoulement en boucle (mini flow loop tests) afin de déterminer des pertes de charge et la distribution de la température du fluide le long des pipelines; 3) calibrer un modèle numérique avec les données de tests d'écoulement en boucle et simuler l'écoulement du RCP dans un réseau de distribution à une échelle réelle en tenant compte des échanges thermiques internes et externes, et du comportement rhéologique du RCP." et "  ABSTRACT: The Meliadine mining project (property of Agnico Eagle Mines, Ltd.) in Nunavut is studying the possibility of using cemented paste backfill (CPB) for backfilling the voids in the underground workings. Given very low outside temperatures in winter, it is necessary that the CPB be transported and distributed to the underground workings without being frozen during transportation in pipelines at a low pumping cost. Because the mine workings are open in permafrost, the CPB should also achieve the desired mechanical strength during the time of curing under low temperature conditions. The evolution of this strength should depend on the evolution of the curing temperature of CPB, including the deposition temperature of the CPB in the underground site. The natural salinity of permafrost as well as that provided by the use of salts to deglaze the ore is a new influence factor should also be considered. It is relevant to predict both the rheological behaviour of the CPB based on thermal conditions and the evolution of the temperature of the CPB along the pipeline during its transportation in pipeline (for determining the deposition temperature). The main objective of this research project was to develop tools to support the design of the CPB distribution system in underground mines located in permafrost zones. More specifically, the objectives of the research were: 1) to study the effect of temperature and salinity on the rheological and thermal properties of CPB; 2) to perform mini flow loop tests to determine the pressure drops and the distribution of the paste temperature along the pipeline; 3) to calibrate a numerical model with the mini flow loop test data and simulate the flow of CPB in a full-scale distribution network taking into account the internal and external heat exchanges and the thermo-rheological behaviour of the CPB."


identifier: Jdaida, S. (2016). Analyse de sécurité des applications d'authentification par NFC  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les téléphones portables nouvelle génération intègrent des puces de communication à champ rapproché (NFC). Grace à l'émergence rapide de cette technologie, ces téléphones sont capables de jouer le rôle de cartes de crédit, cartes d'accès ou de tickets de transport. Ces applications mobile dites sans contact suscitent un intérêt grandissant. Qu'il s'agisse de contrôle d'accès physique, de transport en commun ou de paiement mobile, la sécurité est toujours un enjeu. En effet, plusieurs solutions d'authentification NFC présentent des risques en termes d'intégrité des données ce qui les rend vulnérables à différentes attaques notamment le clonage des cartes. Ce mémoire se place dans le cadre d'étude sur la sécurité des applications NFC sur mobile. Le domaine de la sécurité comporte plusieurs axes, tels que : la confidentialité, la détection d'intrusion, l'authentification, le contrôle d'accès, la protection de la vie privée, etc. Dans le cadre de ce projet de recherche, nous nous focalisons sur la problématique d'authentification. Malheureusement, plusieurs solutions d'authentification, basées soit sur la technologie de carte sans contact d'identification par radio fréquence (RFID) soit sur la technologie NFC, ont démontrées d'importantes failles de securit, surtout à cause de la faiblesses des algorithmes cryptographiques employés. Cependant, le recours aux plateformes mobiles rend possible l'utilisation de protocoles cryptographiques à clé publique. Nous proposons une solution d'authentification basée sur une infrastructure à clé publique (ICP) en utilisant la cryptographie à courbe elliptique (ECC). Nous avons construit un prototype de preuve de concept de cette solution, que nous avons utilisé pour vérifier sa viabilité en termes de temps d'exécution. Une autre des problématiques des applications NFC sur mobile est le stockage des données sensibles notamment les clés cryptographiques. Nous avons donc explore dans ce mémoire les différentes solutions de stockage de clés cryptographiques. Plusieurs solutions fondamentalement matérielles sont utilisées constituant un environnement isole de stockage et d'exécution appelés Secure Element (SE). Nous avons donc étudié les solutions de SE disponibles, leur complexité et leur disponibilité sur la plateforme mobile Android ainsi que la possibilité d'une implémentation logicielle de SE, an d'établir les avantages et désavantages de chacune en termes de sécurité.  ABSTRACT: The newer generations of smartphone integrate Near-field Communication (NFC) chips. With the fast emergence of this technology, mobile phones are able to play the role of credit cards, access control badges or transit passes. These contactless mobile applications have generated growing attention in the past few years. From access control solutions to contactless mobile payment, security is always an issue. Many existing NFC authentication solutions have risks in terms of data integrity that make them vulnerable to card cloning. This thesis studies the security of NFC mobile applications. Security has multiple axes, such as confidentiality, intrusion detection, authentication, access control, privacy, etc. In the context of this research project, we focus on the security of authentication. Unfortunately, several authentication solutions based on Radio Frequency Identification (RFID) contactless card technology or NFC have shown important security vulnerabilities, especially due to the use of weak cryptographic algorithms. Nonetheless, the use of mobile platforms makes possible the use of public-key cryptographic protocols. We propose an authentication solution based on a Public-Key Infrastructure (PKI) employing Elliptic Curve Cryptography (ECC). We have built a proof-of-concept prototype of this solution that we have used to verify its viability in terms of execution time. Another issue with mobile NFC applications is the storage of sensitive data, in particular cryptographic keys. We have explored in this thesis different cryptographic key storage solutions. Several solutions are essentially hardware based and use an isolated execution and storage environment called the Secure Element (SE). We have studied the various SE options available on the Android platform, including the option of software SE, in order to establish the advantages and disadvantages of each of these options in terms of security.


identifier: Coulibaly, Y. (2016). Auscultation de la digue Nord-Ouest du parc à résidus miniers no. 1 de Doyon dans une perspective d'évaluation de la stabilité pendant la phase de restauration  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Suite à la découverte d'un nouveau gisement de minéralisation aurifère (à 2 km de la Mine Doyon), la Mine Westwood voudrait réutiliser le parc n°1 pour stocker des roches stériles. Mais, en aval de la digue Nord-Ouest (jugée critique en termes de stabilité tel que indiqué dans le rapport du plan de fermeture et restauration de la mine Doyon), se trouve un petit réservoir d'eau traitée (bassin de polissage). Il est donc important de connaître son état présent. Ce mémoire de maîtrise en génie minéral est consacré à l'auscultation de cette digue Nord-Ouest, à l'aide d'outils géophysiques, dans une perspective d'évaluation de sa stabilité pendant la phase de restauration en considérant l'impact de l'ajout de roches stériles dans le parc à résidus en amont. Les méthodes géophysiques de la résistivité électrique et de géoradar ont été utilisées pour investiguer la structure interne de la digue. Quelques modélisations numériques à l'aide SLOPE/W ont par ensuite été réalisées afin d'évaluer sommairement le comportement géotechnique de la digue selon différentes phases de remplissage. Les résultats de traitement d'images de géoradar démontrent une structure en couches qui est concordante avec l'interprétation des inversions de résistivité électrique. L'information provenant des forages géotechniques a été utilisée dans l'identification des matériaux utilisés dans la construction de la digue. Le changement vertical de résistivité à l'intérieur de la digue démontre une couche de faible résistivité en dessous de l'enrochement, puis la résistivité augmente en profondeur. Une hétérogénéité à l'intérieur de la couche de faible résistivité est aussi observée. Les résultats d'interprétation géophysique nous aident non seulement à estimer la composition des matériaux utilisés dans la construction, mais aussi à investiguer l'existence de zones de fracturation (ou de cavité) à l'intérieur de la digue. L'analyse sommaire de la stabilité de la digue effectuée à l'aide du code SLOPE/W (analyse par équilibre limite) montre que le facteur de sécurité obtenu est supérieur à la valeur minimale de 1,5 requise pour ce type d'ouvrage. Il a également été confirmé que les paramètres de résistance au cisaillement (la cohésion c' et l'angle de friction ') avaient un grand impact sur le facteur de sécurité calculé. En se situant du côté sécuritaire, il serait utile qu'avant toute opération de remplissage du parc à résidus n°1, que le bassin de polissage soit rempli en partie. Une surveillance des hauteurs piézométriques avant et pendant le remplissage du parc n°1 est également préconisée afin d'assurer la stabilité à long terme de la digue." et "  ABSTRACT: Following the discovery of a new gold orebody (located 2 km from the Doyon Mine), Westwood Mine aims at reusing tailings storage facility (TSF) #1 for solid waste storage; but downstream of the Northwest embankment (considered critical in terms of stability as indicated in the report of the closure and restoration plan of the Doyon mine) is located a small treated (polishing) water pond. It is therefore important to know its present state. This Master's thesis in Mineral Engineering dealt with the auscultation of the Northwest embankment using geophysical tools with a view of assessing its stability during the restoration phase by considering impact of waste rock deposition in the upstream tailings facility. Geophysical methods of electrical resistivity and georadar were used for investigating the internal structure of the embankment. Numerical models were subsequently used to assess the geotechnical behavior of the embankment in different deposition situations. The image processing result of georadar clearly shows a three-layered structure: rock, tailings, silts and silty clays. The vertical resistivity change in the interior of the embankment is consistent with the interpretation of georadar indicating a multilayer structure. The lateral variability of the electrical resistivity corresponds to heterogeneity within each layer. As we cannot collect samples for the characterization of materials or more current measures, the geophysical interpretation results help us to estimate the composition of the materials used and the internal structure of the embankment based on the distribution of the resistivity. These results are finally validated by geological observation of geotechnical drilling on the embankment. The stability analysis using the SLOPE/W code shows that the safety factor obtained is well above the minimum recommended value of 1.5. It was also confirmed that the shear strength parameters (effective cohesion c' and angle of internal friction ') have an impact on the factor of safety. To be on the conservative side, it would be useful that before any operation of solid waste deposition in TSF #1, the polishing pond should be partly filled. Monitoring piezometric heights prior to and during Park #1 filling is also recommended for ensuring the stability of the embankment."


identifier: Rafrafi, W. (2016). Intégration d'un système radio à bande ultra-large pour la navigation de robots mobiles  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La localisation revêt une grande importance dans les applications de robotique mobile. Cette tâche devient plus compliquée quand il s'agit d'une localisation d'un groupe de robots évoluant dans un environnement partagé. Un élément clé dans ce type d'application est le système de mesure des distances qui permet de localiser chaque robot en se basant sur les mesures des distances qui les séparent.  Les travaux réalisés, dans la plupart des algorithmes multi-robots, supposent qu'il existe une solution efficace pour effectuer ces mesures de distance. Cependant, avoir une bonne précision dans le système de mesures représente un vrai problème, en particulier dans un environnement intérieur. Le travail réalisé dans le cadre de cette maîtrise a pour objectif le déploiement d'un système permettant à un robot mobile d'effectuer des mesures de distance avec d'autres robots ou un certain nombre de points de référence. Ceci est fait en intégrant aux robots un système de communication Ultra Wideband (UWB) pour les mesures de distance. Cette technologie est l'une des plus intéressantes pour ce type d'application. Son avantage majeur est sa forte résolution temporelle pour effectuer des mesures assez précises du temps de propagation d'un signal. Le système de mesure de distance développé a été également exploité dans la navigation robotique ce qui devrait être utile dans nombreuses applications. En effet, la fusion des mesures de distance UWB avec un système de navigation inertielle permet d'avoir un système de localisation haute précision qui peut être déployé autant à l'intérieur qu'à l'extérieur. Les résultats expérimentaux montrent que ce système de localisation hybride peut être intégré dans plusieurs types de plate-formes robotiques, tels que les drones et les robots au sol. En outre, le système conçu peut servir également à la communication courte portée entre les robots. Mots clés : Ultra Wideband, système de mesure de distance, localisation, robotique mobile.  ABSTRACT: Localization is one of the most important tasks in mobile robotics applications. The complexity of this task increases when it comes to multi-robot localization. For such applications, a ranging system could be used to perform range measurements between robots and enable cooperative localization of the robots based on range measurements. Much of the work carried in multi-robot localization assumes that there is an efficient solution to perform ranging measurements. However, such a system is not easy to deploy, especially in an indoor environment. In this report, we introduce a design of a ranging system based on Ultra-wideband technology. This system is able to provide effective tools for mobile robots to perform ranging measurements with other robots. UWB technology has important advantages for such applications due to its good ability to resolve the temporal features of signals. The developed ranging measurement system is also used for robotic localization, which is useful in many applications, such as autonomous navigation. In fact, merging the UWB ranging system with an inertial navigation system allows us to achieve cm-level accuracy at high update rates. Merging these two systems makes up for the shortcomings of each, and gives a better performance than what is possible with a single system. The experimental results show that the hybrid positioning system can be used with several types of robotic platforms, such as drones and unmanned ground robots. In addition, the proposed system could be useful for the short-range communication between robots. Keywords : Ultra Wideband, ranging measurements system , localization, mobile robotics.


identifier: Peng, K. (2016). Study of the Hemodynamic Response to Interictal Epileptiform Discharges in Human Epilepsy Using Functional Near Infrared Spectroscopy  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'imagerie spectroscopique proche infrarouge fonctionnelle (ISPIf) s'est imposée comme technique d'imagerie neuronale prometteuse. Cette dernière permet une surveillance non invasive de l'évolution chronique de l'activité hémodynamique corticale. Durant la dernière décennie, ISPIf combiné avec l'électroencéphalographie (EEG) a été appliqué dans le contexte de l'épilepsie humaine, et a permi d'explorer le lien entre l'activité neurale et hémodynamique. Cependant, la plupart des travaux antérieurs sont uniquement axés sur l'étude des crises d'épilepsie qui sont aléatoires et se produisent rarement pendant un test de l'EEG-ISPIf. Cette thèse cherche à évaluer la capacité de l'EEG-ISPIf à observer les changements hémodynamiques associés aux décharges épileptiformes intercritiques (DEIs), et à déterminer si ces DEIs peuvent également être utilisés pour extraire de l'information additionnelle servant à la localisation du site d'un foyer épileptique. En se basant sur des données multimodales EEG-ISPIf recueillies sur un grand échantillon de patients (40), combiné à l'utilisation d'un modèle linéaire généralisé (MLG), une première étude a permis la quantification préliminaire de la sensibilité et la spécificité de la technique en utilisant la détection des zones cérébrales activées par des DEIs pour la localisation de la région du foyer épileptique. Dans un sous-groupe de 29 patients atteints au niveau de la région néocorticale, lorsque mesuré durant des évènements de DEIs, des diminutions de la concentration d'hémoglobine désoxygénée (HbR) (chez 62% des sujets) et des augmentations de la concentration de l'hémoglobine oxygénée (HbO) (chez 38% des sujets) ont été observées. De plus, cette variation en HbR et HbO était significativement plus forte dans la région du foyer épileptique (qui donc pourrait conduire à une localisation du foyer épileptique) dans 28% / 21% des patients. Ces estimations modestes de la sensibilité et de la spécificité suggèrent que l'utilisation d'une fonction de réponse hémodynamique (FRH) canonique n'est pas optimale dans l'analyse des DEIs par MLG classique. Par conséquent, une seconde approche a été explorée dans le cadre d'une deuxième étude par modélisation des variations spécifiques à chaque patient dans la construction de la réponse hémodynamique associée aux DEIs. Un terme quadratique a également été ajouté au modèle pour tenir compte de la non-linéarité de la réponse associée à une fréquence plus élevée d'évènements lors de l'enregistrement. Ces nouveaux modèles ont d'abord été validés numériquement par simulations, avant d'être appliqués à l'analyse de données de cinq patients sélectionnés. Lorsque comparée à la FRH canonique, l'utilisation de la FRH spécifique au patient dans l'analyse MLG a non seulement amélioré considérablement les scores statistiques et les étendues spatiales des  ABSTRACT: Functional near-infrared spectroscopy (fNIRS) has emerged as a promising neuroimaging technique as it allows non-invasive and long-term monitoring of cortical hemodynamics. For the last decades, fNIRS combined with electroencephalography (EEG) has been applied in the context of human epilepsy, and has yielded good results. However, most previous work only focused on the study of epileptic seizures which are random and seldom occur during EEG-fNIRS testing. This thesis sought to evaluate the potential of EEG-fNIRS in observing the hemodynamic changes associated with interictal epileptiform discharges (IEDs), and to determine whether these IEDs can also be used to extract useful information in the localization of the epileptic focus site. Based on the EEG-fNIRS data collected from a relatively large number of patients (40) and using a standard general linear model (GLM) approach, the first study of this thesis provided preliminary estimates of the sensitivity and the specificity of EEG-fNIRS in detecting brain areas activated by IEDs and in localizing the epileptic focus region. In the 29 patients with neocortical epilepsies, significant deoxygenated hemoglobin (HbR) concentration decreases and oxygenated hemoglobin (HbO) concentration increases corresponding to IEDs were observed in 62% and 38% of patients respectively. This HbR/HbO response was most significant in the epileptic focus region among all the activations, and thus could lead to successful identification of the epileptic focus site in 28%/21% of the patients. These modest estimates of the sensitivity and the specificity suggested that using a standard GLM with a canonical hemodynamic response function (HRF) might not be the optimal method in the analysis of IEDs. Therefore, the second study of this thesis made a first attempt to model the patient-specific variations in the shape of the hemodynamic response to IEDs. A quadratic term was also added to the model to account for the nonlinearity in the response when frequent IEDs were present in the recording. The new models were first validated through carefully designed simulations, and were then applied in the data analysis of five selected patients. Compared with the canonical HRF, including patient-specific HRFs in the GLM analysis not only significantly improved the statistical scores and the spatial extents of existing activations, but also was able to detect new brain regions activated by IEDs on all of the five patients. These improvements in activation detection also helped obtain more accurate focus localization results in some cases.


identifier: Milovanoff, A. (2016). Optimisation environnementale de la gestion des consommations électriques en temps réel  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La production d'électricité a été responsable en 2013 de 42,5 % des émissions de gaz à effet de serre provenant des combustions d'énergies fossiles. Or, l'intégration d'une production moins carbonée tournée vers l'utilisation des énergies renouvelables intermittentes telles que le solaire et l'éolien demande une amélioration technique des réseaux électriques afin d'assurer stabilité, sécurité et efficacité de la distribution. Une des solutions les plus prometteuses pour assurer cette avancée repose sur l'utilisation des technologies d'information et de communication. À travers l'augmentation de la communication et du contrôle aux différents points du réseau, le consommateur devient acteur du marché d'électricité grâce à des programmes de gestion des consommations. Ces programmes se basent sur des principes de réduction et de décalage des consommations. Ils permettent d'augmenter la capacité d'adaptation du réseau en allégeant les demandes lorsque le niveau de production est élevé. Cependant la performance environnementale des programmes de gestion des consommations sur le court et le long terme reste à être démontrée. En effet, les indicateurs utilisés pour décider du décalage des consommations sont très majoritairement économiques et ne prennent pas en compte des aspects environnementaux. L'analyse de cycle de vie (ACV) est une approche systémique qui évalue les impacts potentiels d'un service sur toutes les phases de son cycle de vie. Appliquée à la consommation d'électricité, l'ACV doit relever de nombreux défis comme celui de dissocier en temps réel les impacts de la production de ceux de la consommation lesquels sont aussi liés aux importations et exportations. D'autres défis concernent l'étude en temps réel des conséquences environnementales des technologies affectées par des variations de consommations. L'objectif de ce mémoire est de développer des indicateurs environnementaux utilisant l'approche cycle de vie qui permettent l'optimisation des consommations énergétiques et l'évaluation environnementale des programmes de gestion des consommations. L'étude de cas de ce mémoire est la France entre 2012 et 2015. Les indicateurs développés reposent sur deux approches d'analyse de cycle de vie des consommations électriques. La première approche, appelée attributionnelle, étudie à chaque instant les équilibres des réseaux en considérant les importations et les exportations afin d'établir des coefficients d'impacts révélateurs de la qualité de l'énergie consommée. Les impacts de la production d'électricité des pays principaux exportateurs à la France, soit la Grande – Bretagne, l'Allemagne, la Belgique, l'Italie et l'Espagne, sont considérés avec une résolution temporelle de 30 minutes. Ainsi entre 2012 et 2014, les émissions moyennes de l'énergie consommée en France ont été 21,8 % plus émettrices de GES que les émissions moyennes de l'énergie produite en France. Ces augmentations sont respectivement de l'ordre de 3,6 %, 4,3 % et 1,7 % pour les catégories d'impacts de la santé humaine, la qualité des écosystèmes ou l'utilisation des ressources. Les solutions des stratégies de gestion des consommations utilisant les indicateurs de l'approche attributionnelle réduisent les impacts environnementaux des consommations flexibles jusqu'à 38,5 % pour la catégorie changement climatique. De plus, les indicateurs basés sur les émissions de GES et les impacts sur la santé humaine offrent les solutions avec les meilleurs compromis d'optimisation sur les autres catégories d'impacts. Finalement, les solutions visant la réduction du prix de l'électricité achetée ne sont que 11 % du temps les mêmes que celles visant la réduction de l'empreinte carbone des consommations. Ainsi, l'optimisation environnementale va à l'encontre d'une optimisation économique de l'électricité consommée. Incorporer le prix carbone, qui représente le coût d'1 kg de CO2, au prix d'achat de l'électricité permet d'améliorer l'efficacité environnementale sur la catégorie changement climatique des solutions économiques.  La deuxième approche d'analyse de cycle de vie utilisée dans cette étude est appelée conséquentielle. Elle étudie les conséquences environnementales de consommations supplémentaires sur le réseau électrique. L'approche est développée dynamiquement en étudiant les technologies affectées à très court terme par des variations de consommations. Deux modèles sont développés à partir de données globales. Le premier considère que l'ensemble des technologies de production contrôlables par l'opérateur du réseau sont les conséquences des variations des consommations. Le deuxième modèle suppose que certaines technologies de production sont des imprévus et ne peuvent être considérées comme des technologies affectées. Entre 2012 et 2014, en France, en Italie et en Espagne l'hydroélectricité est la technologie qui a le plus adapté sa production aux variations des consommations. Les programmes de gestion des consommations utilisant les indicateurs de l'approche conséquentielle permettent de réduire jusqu'à 98 % des émissions de GES associées aux technologies affectées par des consommations. Cependant, les deux modèles utilisant l'approche conséquentielle offrent des solutions différentes. Ceci montre que l'utilisation de l'approche conséquentielle dynamique au niveau global souffre d'un manque de considération des conséquences technologiques locales des consommations. Pour devenir performantes écologiquement, les stratégies de gestion des consommations doivent travailler avec les opérateurs des réseaux et intégrer les conséquences économiques et environnementales des stratégies sur le long terme. Ce travail met en exergue les rôles des approches conséquentielle et attributionnelle dans l'analyse de cycle de vie. Une approche couplant les conséquences à long terme de l'implémentation d'un programme utilisant des données dynamiques moyennées serait révélatrice des performances environnementales des programmes de gestion des consommations.  ABSTRACT: Smart technologies such as smart metering provide new alternatives to mitigate the impacts of electricity generation. For instance, demand-side management (DSM) programs enhance the integration of intermittent renewable energy sources through changes in consumption patterns. However, changes are led by economic incentives and environmental benefits are not maximized. Life cycle assessment (LCA) is a standardized methodology that aims to assess the environmental impacts of a product or a service over its entire life cycle. The primary objective of our project is to develop environmental indicators to assess the environmental benefits of DSM programs and to provide new alternatives of changes in consumption patterns. Two distinct approaches were used in order to develop the indicators. The first one, called attributional, aimed to assess the potential impacts of real-time electricity use in France including generation, imports and exports with a life cycle approach. The second approach, called consequential, aimed to assess the environmental consequences of electricity use through changes in the technologies producing the energy. Then, based on both approaches, we evaluated the environmental performances of simple DSM strategies using environmental and economic indicators based on historic and day-ahead data.  The real-time LCA of electricity generation in France, Germany, Great Britain, Italy, Belgium and Spain were conducted every 30 minutes between 2012 and 2014 in order to compute in France the real-time LCA of electricity consumption considering imports and exports. We found that the use of French generation impact factors compared to the use of French consumption impact factors underestimated on average by 21.8 %, 3.6 %, 4.3 % and 1.7 % the impacts of electricity consumption on the four environmental indicators: Climate Change, Human Health, Ecosystem Quality and Resources respectively. A use of 1 kWh was optimized every day between 2012 and 2014 based on the four environmental indicators previously developed and the price of the electricity. Each optimum scenario minimized every day the impacts or the price of the electricity use. We compared the five optimum scenarios with the help of the five indicators to five worst case scenarios. Each worst case scenario depicted the maximum of impacts or price achievable every day. The environmental indicator Climate Change had the widest range of mitigation compared to the worst case scenario, i.e. up to 38.5 %. If each environmental indicator was considered equally important, the optimizations based on the Climate Change and Human Health indicators offered the most effective solutions on all the environmental indicators. In addition, the optimization based on the price of the electricity was compared to the environmental optimization based on the Climate Change indicator. The environmental optimization cost 1.4 € per kg CO2 eq. saved for a mitigation of 12 % of greenhouse gases (GHG) emissions compared to the economic optimization. If a carbon price of 100€ per tonne of CO2 was applied, the new economic optimization would cost 0.04 € per kg CO2 eq. saved for a mitigation of 2.5 % of the GHG emissions compared to the previous economic optimization. Finally, a day-ahead optimization model was developed based on forecasts of European generation factors. Despite uncertainties related to electricity generation and consumption, we achieved a mitigation of 27 % of GHG emissions compared to the worst case scenario with the use of a realistic optimization model a day-ahead. For the consequential approach, two different models were used in order to define the dynamic technologies affected by the consumption from global data. The first one considered that all the controllable technologies, i.e. all the technologies except those from intermittent sources, were affected by the consumption and the second considered that only the controllable technologies which fluctuated in the same direction than the global consumption were affected by the consumption. Between 2012 and 2014, in France, Italy and Spain, hydroelectric plants were the main affected technologies for the two models. The DSM programs based on the indicators using the consequential approach reduced up to 98 % the GHG emissions of the technologies affected by the consumption. However, the two models had different optimal solutions. Hence, the assumptions made on the global data affected the results of the model. The consequential approach suffered from a lack of local considerations. To become environmentally efficient, DMS programs need to work with system operators of electrical network in order to assess the real local consequences of changes in use patterns.


identifier: Grapperon, A. (2016). Behavioral Approach to Estimation of Smart Card Holders Socio-Demographic Characteristics in a Public Transportation System  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de collecte automatisée des titres de transport sont utilisés dans de nombreuses villes, le titre de transport est le plus souvent stocké sur une carte à puce (CAP). Ils génèrent quotidiennement d'importants volumes de données liées à la mobilité des individus. Il devient très intéressant de disposer de méthodes pour pouvoir utiliser ces données car elles présentent le triple avantage d'être exhaustives, longitudinales et directement liées au réseau de transport en commun. En effet, tous les passagers doivent valider leur embarquement (à l'exception des fraudeurs qui s'octroient s'affranchissent de ce devoir), ces données sont récoltées tous les jours de l'année pour l'intégralité du réseau et elles sont liées à un véhicule et une ligne de bus. Il y a de nombreuses applications développées à ce jour: reconstitution des chaînes de déplacements, étude des typologies de déplacements sur le réseaux, étude de la loyauté des usagers, validation des enquêtes de déplacements, identification des maxima de charges sur chaque ligne, étude de l'adéquation de l'offre à la demande, etc.  ABSTRACT: Automated Fare Collection (AFC) systems such as smart cards are being used in many different cities and countries. The AFC systems leverage large volume of data related to person's mobility and it becomes very interesting to develop methods to use these data to complement other data sources. They present four main advantages, they are longitudinal, they concern every public transit user (within the limitation of the penetration rate of the smart card and the policy around shared smart card ownership), they are passively leveraged and they are directly related to the public transit structure. There are already many applications such as processing the trip chain, study of public transit users loyalty and behaviour, validation of travel surveys etc.


identifier: Pibrac, A. (2016). Simulation de piétons avec génération dynamique de la demande  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le présent mémoire traite des simulations de piétons. Il traite plus particulièrement des "micro-simulations", c'est-à-dire des simulations où chaque piéton est modélisé individuellement (à l'inverse des modèles agrégés), dans les hubs de transport tels que les stations de métro ou les gares de train. Le but de ce travail est de présenter, développer et tester une nouvelle manière d'organiser la simulation pour lui donner une plus grande marge de manoeuvre et ainsi lui permettre de proposer des solutions plus précises, plus réalistes, qu'auparavant. En effet, dans une simulation classique, trois éléments sont nécessaires à son exécution pour obtenir des résultats : une estimation de la demande pour générer des agents, plusieurs modèles pour décrire leur comportement et une représentation de l'infrastructure dans laquelle faire évoluer ces agents. Nous commençons par montrer que la construction même de ce genre de simulation engendre un manque de réalisme dans certains cas : les trois éléments ne peuvent pas dépendre les uns des autres, ils sont générés indépendamment et sont simplement utilisés par la simulation.  ABSTRACT: We present an integrated microsimulation framework to estimate the pedestrian movement over time and space. Mobility hubs such as metro or train stations are particularly studied. The overall aim of this work is to develop, present and test a new way to organize such a simulation. The final goal of it is to give a bigger action radius to the simulation so it can find more accurate and more realistic estimation of a situation. In a classical simulation, three main inputs are needed to obtain a result: an estimation of the demand, several models and a description of the infrastructure. The first generates the agents, that are moved thanks to the second one on the third one. First we show that this organization of a simulation prevents it to adapt them depending on each others. They are independently generated and are considered as exogenous information. This construction leads to a lack of realism.


identifier: Hajj-Mohamad, M. (2016). Sources de contamination fécale des cours d'eau urbains  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les contaminations fécales des cours d‘eau urbains proviennent surtout de raccordements inversés et de débordements d‘égouts unitaires ou sanitaires. Les impacts cumulatifs de ces rejets sur le milieu récepteur sont devenus évidents et méritent de mieux préciser leur origine. Aucune méthode de la boîte à outils du dépistage des sources de contamination fécale dans les secteurs urbains ne représente une solution miracle acceptée comme la meilleure méthode. La combinaison de plusieurs indicateurs dans le but de développer un indice sanitaire est au point pour faire éventuellement l'objet d'une normalisation.  ABSTRACT: The fecal contamination of urban streams mainly originates from sewer cross-connections, stormwater and combined sewer overflows. The cumulative impacts of these discharges onto the receiving environment have become strikingly evident and warrant further clarification regarding their origins. No method within the current toolbox for fecal contamination source screening in urban areas presents a miraculous solution accepted as the best method. The combination of multiple indicators in order to develop a sanitary index could eventually become the object of standardization


identifier: Cappato, R. (2016). Simulation numérique des instabilités rotor stator dans une turbine hydraulique avec Foam-Extend  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le projet de recherche présenté ici, est réalisé en partenariat entre la société Andritz Hydro et le groupe de recherche, dirigé par François Guibault. Cette coopération a pour but de développer des outils informatiques de conception, simulation et validation de produits relatifs aux turbines hydrauliques. Pour les turbines destinées à des hautes chutes, le mouvement des pales de la roue passant devant les aubes du distributeur, crée des vibrations. Ce phénomène instationnaire, appelé interaction rotor-stator (RSI) peut être à l'origine de rupture en fatigue des composants de la roue de turbine. Étudiées depuis près de vingt ans, les interactions rotor-stator doivent être prises en compte lors de la phase de design préliminaire et constituent un véritable critère de décision pour la conception des turbines. Dans ce mémoire nous nous focaliserons sur l'étude des différents paramètres numériques du logiciel Foam-extend, dans le but de réaliser avec celui-ci une simulation robuste et précise du phénomène des interactions rotor-stator. Foam-extend (anciennement OpenFoam), est un logiciel libre de simulation numérique basé sur la méthode des volumes finis. Cette étude présentera les différents solveurs disponibles sous Foam-extend, ainsi que leurs algorithmes de résolution. Ces solveurs seront utilisés avec un maillage tournant et seront couplés à un modèle de turbulence k-". La géométrie étudiée est un modèle d'une turbine Francis, qui comprends une roue (constituée de 15 pales) et un distributeur (constitué de 20 aubes directrices et de 20 avant-directrices). La méthode de connexion General Grid Interface (GGI) sera utilisée pour connecter les différentes parties du maillage. Enfin, dans le but d'accélérer le calcul, une partie de l'étude se focalisera sur la simulation d'un cinquième de la géométrie. Tous les résultats obtenus seront comparés à des résultats numériques provenant de logiciels commerciaux ainsi qu'à des données expérimentales.  ABSTRACT: This master research is realised in partnership with the company Andritz Hydro and the research group, directed by François Guibault. This purpose of this collaboration is to develop software tools to design and simulate some phenomenon in hydraulic turbines. In the development of high head hydraulic turbines, dynamic stresses induced by vibrations have to be taken into account. This paper focuses on the study of the rotor-stator interactions (RSI). In hydraulic turbines, the movement of the blades passing in front of the guide vanes creates vibrations. This unsteady phenomenon can be responsible for fatigue failures on turbine runners. Studied for about twenty years, RSI must now be taken into account during preliminary hydraulic design phase through CFD analysis, as it constitutes a decisive criterion for designing turbines. This work investigates various aspects of the numerical setup required to perform accurate and robust URANS simulations of an RSI case using the open source CFD software Foamextend 3.2. Foam-extend (formerly named OpenFoam) is a software which includes solvers based on the finite volumes method. The solver chosen for this study is a transient solver for incompressible flow on a moving mesh coupled with a k-" turbulence model. The geometry studied is a model of a Francis turbine, which consist of a runner (15 blades) and a distributor (20 guide vanes and 20 stay vanes). To enable the connection between all mesh patches the General grid Interface (GGI) method is used. To speed up calculations, some simulations are realised on a part (a fifth) of the model. All numerical results obtained are compared to data from commercial softwares and experimental results.


identifier: Brischoux, P. (2016). Stockage thermique saisonnier par puits géothermiques pour bâtiments résidentiels équipés de panneaux photovoltaïques-thermiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les performances énergétiques d'un système géothermique avec injection de chaleur depuis des panneaux photovoltaïques-thermiques sont évaluées dans le cas d'une maison unifamiliale située à Montréal. Contrairement aux systèmes de pompes à chaleur géothermiques classiques, le ou les puits comportent deux circuits indépendants. Ainsi, il est possible d'injecter de la chaleur dans les puits depuis les panneaux solaires et d'en extraire à l'aide de la pompe à chaleur de manière simultanée. Le système est tout d'abord analysé pour un seul puits à l'aide de simulations dans l'environnement TRNSYS. Les résultats montrent que l'injection d'énergie dans le puits augmente l'efficacité du système et limite la réduction de ses performances due au déséquilibre des charges au sol. Toutefois, une partie de l'énergie injectée durant l'été est perdue par diffusion thermique vers le sol environnant et un seul puits géothermique n'est pas adapté pour le stockage thermique saisonnier. Le même système est étudié en remplaçant le puits géothermique par un champ de puits de faible profondeur. Cette analyse a permis de mettre en évidence la possibilité de réaliser un stockage thermique saisonnier de type BTES à l'échelle d'une maison unifamiliale. Le système présente alors des performances énergétiques supérieures à celle du système à un puits avec recharge solaire du sol mais occupe un volume de stockage important. Dans le dernier volet de ce mémoire, une étude préliminaire d'un système comportant un stockage latent sous forme de glace est présentée. Les résultats sont comparés à ceux du stockage de type BTES en matière de performance énergétique et de configuration requise. Le stockage de type BTES nécessite un volume de stockage important mais présente une efficacité énergétique globale élevée. Le système avec stockage de glace est constitué d'un volume bien plus faible mais il ne semble pas permettre d'atteindre des performances similaires à celle du BTES, le niveau de température à l'entrée de la pompe à chaleur étant alors limité par la faible température de stockage. Ses performances sont cependant comparables à celle d'un système de pompe à chaleur géothermique classique, c'est-à-dire sans recharge solaire du sol.  ABSTRACT: The energy efficiency of a ground-source heat pump system with solar heat injection from photovoltaic-thermal panels is evaluated. The system provides heat to a single-family house located in Montreal. Unlike conventional GSHP systems, the borehole, or boreholes, is equipped with two independent fluid circuits. Thus, it is possible to inject heat from the solar panels and extract energy with the heat pump simultaneously. First, the system is analyzed with a single borehole using numerical simulations within the TRNSYS environment. Results show that the heat injection in the borehole increases the efficiency of the system and limits the reduction in performance caused by unbalanced ground loads. However, part of the heat injected during the summer is lost by thermal diffusion to the ground surrounding the borehole and a single borehole is not appropriate for seasonal thermal energy storage. A study of the same system is performed after replacing the single borehole by a borefield consisting of 15 shallow boreholes. This analysis points out the technical feasibility of seasonal borehole thermal energy storage (BTES) systems for residential applications. Such a system reaches a higher energy efficiency than the system including a single borehole with solar charging but requires a large storage volume. The last part of this thesis presents a preliminary study of an ice storage system. The results are compared to the BTES in terms of energy efficiency and needed configuration. The system with BTES requires a large storage volume but achieves a high overall energy efficiency. The ice storage system involves a much smaller storage volume but does not seem to be able to reach an energy efficiency similar to the BTES, the heat pump inlet temperature being limited by the low storage temperature. However, the overall energy efficiency of this system is similar to conventional GSHP systems, i.e. without solar charging.


identifier: Faure, B. (2016). Simulation des fuites neutroniques à l'aide d'un modèle B1 hétérogène pour des réacteurs à neutrons rapides et à eau légère  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le calcul neutronique du coeur d'un réacteur s'effectue classiquement en deux étapes : la résolution de l'équation de transport pour les neutrons sur un domaine élémentaire du cœur permet dans un premier temps de générer des paramètres, sections efficaces macroscopiques et éventuellement coefficients de diffusion, qui seront utilisés dans un deuxième temps pour le calcul du réacteur au complet. Dans la première étape, la cellule ou l'assemblage est calculé(e) en π mode fondamental ∫, le motif étant inséré dans un réseau infini et périodique de structures identiques. Cette représentation a l'avantage de la simplicité et permet une modélisation géométrique et spectrale fine pouvant être traitée en théorie du transport au prix d'approximations minimales. Elle suppose cependant que le coeur du réacteur puisse effectivement être représenté par un réseau périodique de domaines élémentaires, ce qui est en soi une approximation importante et, en outre, ne permet pas, a priori, de traiter les échanges de neutrons entre les différents motifs ou les fuites hors du réacteur. Le modèle de fuites propose à ce stade de corriger l'équation de transport par un terme de fuites neutroniques supplémentaires permettant de rendre compte de ce phénomène. Pour des raisons historiques, les méthodes numériques de résolution de l'équation de transport étant limitées par la puissance et la capacité des ordinateurs, le terme de fuites est classiquement modélisé par une probabilité de fuites homogène et isotrope dans un modèle de fuites homogènes. Portés par l'innovation technologique dans le domaine de l'informatique, des modèles de fuites hétérogènes, plus réalistes, ont été développés et implémentés dans plusieurs codes de calcul. Le présent travail de recherche propose d'étudier plusieurs de ces modèles et notamment le modèle TIBERE du code DRAGON-3 de l'Institut de Génie Nucléaire de Polytechnique Montréal, ainsi que le modèle développé dans le code APOLLO-3 du Commissariat à l'Énergie Atomique et aux énergies alternatives. Les études effectuées sur des géométries de réacteurs à neutrons rapides et à caloporteur sodium ainsi que sur des réacteurs à eau légère ont permis de prouver l'intérêt de ces modèles par rapport à un modèle homogène.  ABSTRACT: The neutronic calculation of a reactor's core is usually done in two steps. After solving the neutron transport equation over an elementary domain of the core, a set of parameters,namely macroscopic cross sections and potentially diffusion coefficients, are defined in order to perform a full core calculation. In the first step, the cell or assembly is calculated using the π fundamental mode theory, the pattern being inserted in an infinite lattice of periodic structures. This simple representation allows a precise modeling for the geometry and the energy variable and can be treated within transport theory with minimalist approximations. However, it supposes that the reactor's core can be treated as a periodic lattice of elementary domains, which is already a big hypothesis, and cannot, at first sight, take into account neutron leakage between two different zones and out of the core. The leakage models propose to correct the transport equation with an additional leakage term in order to represent this phenomenon. For historical reasons, numerical methods for solving the transport equation being limited by computer's features (processor speeds and memory sizes), the leakage term is, in most cases, modeled by a homogeneous and isotropic probability within a π homogeneous leakage model. Driven by technological innovation in the computer science field, π heterogeneous leakage models have been developed and implemented in several neutron transport calculation codes. This work focuses on a study of some of those models, including the TIBERE model from the DRAGON-3 code developed at École Polytechnique de Montréal, as well as the heterogeneous model from the APOLLO-3 code developed at Commissariat à l'Energie Atomique et aux énergies alternatives. The research based on sodium cooled fast reactors and light water reactors has allowed us to demonstrate the interest of those models compared to a homogeneous leakage model.


identifier: Shetwi, R. (2016). Application of Building Information Modelling in a Large-Scale Transportation Infrastructure Project: A Case of New Champlain Bridge  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: De nouveaux ponts sont largement considérés comme des grands projets d'investissement qui ont une signification à long terme pour le développement urbain et aussi de la société. Dans la région de Montréal, un tel projet est en cours, le pont de New Champlain. Conception traditionnelle, la planification et les méthodes de gestion des processus devraient être utilisées dans ce grand projet. Cette approche présente des majeures inconvénients/limitations: la mauvaise gestion des ressources rares dans l'économie actuelle; manque d'assurance de la conception durable; absence d'une analyse détaillée des effets environnementaux; un manque de changements automatiques de conception en réponse aux changements dynamiques; et enfin, des capacités limitées de visualiser et d'adapter la conception, les processus et les flux du projet. Les progrès récents dans la modélisation des données du bâtiment (BIM) apportent des réponses robustes, cohérentes et complètes à ces questions. BIM est un outil utilisé pour intégrer toutes les informations en un seul modèle, et il offre un moyen plus efficace de collaboration entre les intervenants par rapport à la méthode traditionnelle. BIM est également flexible dans le changement ou la modification du projet pendant la période de la conception ou de la mise en oeuvre en un minimum de temps, et présente les phases du projet en temps réel. Dans cette thèse, nous développons un modèle basé BIM-pour le projet du pont de New Champlain.  ABSTRACT: New bridges are widely considered to be large investment projects that have long-term significance to urban development and society as a whole. In the Montreal area, such a project is underway-the New Champlain Bridge. Traditional design, scheduling, and process management methods are expected to be used in this great undertaking. Such as approach has major drawbacks/limitations: poor management of scarce resources in the current economy; lack of assurance of sustainable design; absence of a detailed analysis of the environmental effects; a lack of automatic design changes in response to changing dynamics; and lastly, limited capabilities to visualize and adapt the design, processes, and flows of the project. Recent advances in Building Information Modelling (BIM) provide robust, consistent, and complete answers to these issues. BIM is a tool used to integrate all information into one model, and it provides a more efficient way of collaboration between stakeholders when compared to the traditional method. BIM is also flexible in changing or modifying the project during the design or implementation period in a short time, and it presents the project phases in a real time scenario.


identifier: Haddad, M. (2016). Towards Sustainable Electrochemical Acidification of Kraft Black Liquor for Lignin Extraction: Proof of Concept, Control of Membrane Fouling and Yield Enhancement  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La baisse de la demande en produits traditionnels issus des pâtes et papiers, la concurrence des économies  émergentes, les fluctuations du prix du pétrole et les moyens d'incitations envers les produits verts ont poussé l'industrie des pâtes et papiers (P & P) à développer de nouveaux produits issus des composants du bois. La transformation de cette industrie, plus particulièrement des usines Kraft, en bioraffineries forestières intégrées (IFBR) est considérée comme une alternative efficace en vue d'augmenter les revenus des usines et de diversifier de façon durable leur portefeuille de produits. Le procédé Kraft est la technique de production de pâtes et papier la plus répandue au monde. Dans la plupart de ces usines, environ 50% des composants du bois (pour la plupart les hémicelluloses et la lignine) sont dissouts dans un courant résiduel appelé liqueur noire (LN) et sont brûlés dans la chaudière de l'usine afin de produire de la vapeur, de l'électricité et de régénérer les produits chimiques utilisés dans le procédé. Par convention, lorsqu'une bioraffinerie forestière est intégrée à une usine, les composants du bois sont séparés du courant de pâte et sont transformés en produits biosourcés à valeur ajoutée. Plus précisément, la lignine extraite peut être utilisée comme biocarburant ou comme précurseur à une vaste gamme de dérivés phénoliques. De plus, l'extraction de la lignine peut augmenter la capacité de l'usine Kraft en faisant diminuer la charge de sa chaudière. Ce doctorat fait partie d'un projet d'étude plus large évaluant le potentiel de l'implémentation d'une bioraffinerie traitant la lignine dans des usines Kraft existante afin d'augmenter leurs revenus, diversifier leur portefeuille, et les rendre durables sur le long terme. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse était d'identifier, de concevoir et de développer une méthode efficace et écologique d'acidification de la liqueur noire pour l'extraction de la lignine (qui peut être une alternative intéressante à la technique d'extraction par acidification) et finalement de l'intégrer dans une usine Kraft existante. L'acidification électrochimique de la LN Kraft par électrodialyse avec membrane bipolaire (EDBM) a été sélectionnée en ce sens comme une voie technologique prometteuse et durable. L'objectif principal de ce projet de recherche a été de valider le concept, d'éliminer les défauts du procédé, et d'en améliorer les performances afin de le rendre réalisable à grande échelle. La première étape de cette recherche pionnière a été de mener une étude de faisabilité technique afin de déterminer les avantages et les limites de la méthode d'acidification électrochimi. Les résultats en découlant ont indiqué que l'acidification de la LN par la technique d'EDBM requiert une consommation significativement moindre en produits chimiques par-rapport à l'acidification par voie chimique. Cependant, l'encrassement de la membrane échangeuse d'ions (IEM) en affecte défavorablement les performances. Nous avons trouvé que la protonation des groupes acides de la lignine résulte en une formation de lignine colloïdale déstabilisée puis en amas de lignine sur la surface des IEM. L'objectif de la seconde phase était d'éliminer l'encrassamrnt de la membrane, d'améliorer la performance du procédé au moyen d'une sélection des IEM les plus fiables disponibles à l'échelle commerciale, et d'améliorer les conditions opératoires du procédé d'EDBM. Les résultats expérimentaux ont mis en évidence que changer le type d'IEM ne permet pas d'atténuer le phénomène d'encrassement et qu'un cycle de nettoyage chimique était nécessaire. De plus, il fut démontré que la composition chimique de la LN ainsi que la température d'opération et les paramètres hydrodynamiques peuvent substantiellement améliorer l'efficacité et la consommation en énergie du système d'EDBM tout en retardant l'encrassement des IEM. La phase finale mit l'emphase sur l'amélioration du rendement en intensifiant le procédé d'acidification électrochimi. La mise en place d'une étape de nettoyage en ligne au moyen d'un champ électrique pulsé pourrait supprimer l'encrassement de la membrane, intensifier l'étape d'acidification et augmenter l'efficacité du procédé jusqu'à 80%. Sur la base des résultats prometteurs présentés dans cette thèse, nous avons conclu que l'application du procédé d'acidification électrochimi par d'EDBM a réduit de manière substantielle la consommation en produits chimiques et la génération d'effluents. De plus, la production in situ de coproduits pouvant être valorisés, tels que la soude caustique, peuvent faire du procédé d'EDBM une opération unitaire écologique et rentable au sein d'une bioraffinerie forestière intégrée à une usine.  ABSTRACT: Decreasing demand of traditional pulp and paper products, competition from emerging economies and oil price volatility as well as incentives for green products encouraged the pulp and paper industry to look for novel products made from wood components.  Transformation of the pulp and paper industry and particularly Kraft pulping mills into integrated forest biorefinery (IFBR) is considered as an effective alternative to increase the revenue of the mills and substantially diversify their product portfolio. Kraft process is the dominant pulp and paper production method worldwide. In most of the conventional Kraft pulping mills around 50% of the wood components (mainly hemicellulose and lignin) are dissolved in a residual stream called black liquor (BL) and combusted in the recovery boiler to produce steam, electricity and re-generate the cooking chemicals. By contrast, in an IFBR plant wood constituents are separated from the pulp stream and transformed into value-added bio-based products.  In particular, extracted lignin can be used as biofuels or as a precursor to a vast phenolic platform of chemical pathways. Furthermore, lignin extraction can increase the capacity of the Kraft mill by decreasing the load of its recovery boiler. This PhD project was part of a broader research study which evaluates the possibility of lignin biorefinery implementation in existing Kraft pulping mills to improve their revenue, diversify their portfolio and make them sustainable in the long term. Therefore, the main objective of this thesis was to identify, design and develop an efficient and eco-friendly BL acidification method for lignin extraction which can be an attractive alternative to the chemical acidification technique and eventually integrated into an existing Kraft pulping mill. To this end, electrochemical acidification of the Kraft BL via electrodialysis with bipolar membrane (EDBM) was selected as a promising and sustainable pathway. The main focus of this research was to validate the concept, eliminate the process drawbacks and enhance the performance of the EDBM process in order to make it practically feasible for a large scale implementation. As the first step for conducting this pioneering research, a technical feasibility study was carried out to address the advantages and limitations of the electrochemical acidification method. The results of this feasibility study indicated that the acidification of the Kraft BL via the EDBM technique required a significantly less chemicals versus the chemical acidification approach. However, fouling of the ion exchange membranes (IEM) adversely affected its performance. It was found that the protonation of the lignin phenolic groups resulted in formation of destabilized colloidal lignin and eventually produced lignin clusters on the surface of the IEMs. The focus of the second phase was to eliminate the membrane fouling and enhance the performance of the process by means of screening the most reliable and commercially available IEMs as well as improving the operational conditions of the EDBM process. The experimental results implied that changing the type of the IEMs could not mitigate the fouling phenomenon and a chemical cleaning cycle was inevitable. In addition, it was demonstrated that BL chemical composition as well as operational temperature and hydrodynamics parameters could substantially improve the current efficiency and energy consumption of the EDBM system and postpone the fouling of the IEMs. Yield enhancement by intensifying the electrochemical acidification process was the main intention of the final phase. Implementation of an in-line cleaning step by means of pulsed electric field application could successfully suppress the membrane fouling, intensify the acidification step and enhance the process efficiency up to 80%. On the basis of the promising results presented in this thesis, it was concluded that application of the electrochemical acidification process via the EDBM method substantially reduced the chemical consumption and effluent generation. Furthermore, an in situ production of a valuable side product i.e. caustic soda can make the EDBM process an eco-efficient and profitable operational unit inside the IFBR plant.


identifier: Mehdi Zadeh, F. (2016). Étude thermo-hydraulique de l'écoulement du modérateur dans le réacteur CANDU-6  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Étant donné la taille (6,0 m×7,6 m) ainsi que le domaine multiplement connexe qui caractérisent la cuve des réacteurs CANDU-6 (380 canaux dans la cuve), la physique qui gouverne le comportement du fluide modérateur est encore mal connue de nos jours. L'échantillonnage de données dans un réacteur en fonction nécessite d'apporter des changements à la configuration de la cuve du réacteur afin d'y insérer des sondes. De plus, la présence d'une zone intense de radiations empêche l'utilisation des capteurs courants d'échantillonnage. En conséquence, l'écoulement du modérateur doit nécessairement être étudié à l'aide d'un modèle expérimental ou d'un modèle numérique. Pour ce qui est du modèle expérimental, la fabrication et la mise en fonction de telles installations coûtent très cher. De plus, les paramètres de la mise à l'échelle du système pour fabriquer un modèle expérimental à l'échelle réduite sont en contradiction. En conséquence, la modélisation numérique reste une alternative importante. Actuellement, l'industrie nucléaire utilise une approche numérique, dite de milieu poreux, qui approxime le domaine par un milieu continu où le réseau des tubes est remplacé par des résistances hydrauliques distribuées. Ce modèle est capable de décrire les phénomènes macroscopiques de l'écoulement, mais ne tient pas compte des effets locaux ayant un impact sur l'écoulement global, tel que les distributions de températures et de vitesses à proximité des tubes ainsi que des instabilités hydrodynamiques. Dans le contexte de la sûreté nucléaire, on s'intéresse aux effets locaux autour des tubes de calandre. En effet, des simulations faites par cette approche prédisent que l'écoulement peut prendre plusieurs configurations hydrodynamiques dont, pour certaines, l'écoulement montre un comportement asymétrique au sein de la cuve. Ceci peut provoquer une ébullition du modérateur sur la paroi des canaux. Dans de telles conditions, le coefficient de réactivité peut varier de manière importante, se traduisant par l'accroissement de la puissance du réacteur. Ceci peut avoir des conséquences majeures pour la sûreté nucléaire. Une modélisation CFD (Computational Fluid Dynamics) détaillée tenant compte des effets locaux s'avère donc nécessaire. Le but de ce travail de recherche est de modéliser le comportement complexe de l'écoulement du modérateur au sein de la cuve d'un réacteur nucléaire CANDU-6, notamment à proximité des tubes de calandre. Ces simulations servent à identifier les configurations possibles de l'écoulement dans la calandre. Cette étude consiste ainsi à formuler des bases théoriques à l'origine des instabilités macroscopiques du modérateur, c.-à-d. des mouvements asymétriques qui peuvent provoquer l'ébullition du modérateur. Le défi du projet est de déterminer l'impact de ces configurations de l'écoulement sur la réactivité du réacteur CANDU-6.  ABSTRACT: Considering the size (6m×7.6 m) and the quite complex hydrodynamic domain of CANDU reactors (i.e. 380 fuel channels embded in the vessel), the motion of the the moderator flow in the calandria is still not perfectly understood until today. Data sampling process from a reactor in operation necessitates several modifications on the calandria vessel to get access to the core. Furthermore, the intense radiation area in the reactor core requires the use of quite particular measurement instruments. Consequently, the moderator flow must necessarily be studied through experimental and/or numerical models. Concerning experimental tests, fabrication and operation of such a huge facility is very expensive. Moreover, the scaling groups of CANDU reactors are in contradiction. Consequently, numerical simulations constitute an appealing. Because of the aforementioned constraints (i.e. complexity of the domain), the porous medium method has been used to study the moderator flow by the nuclear industry. This approach approximates the hydraulic domain as a continuous medium where, the tube bundle is replaced by hydraulic resistances. This model has the ability to predict macroscopic characteristics of the flow motion. However, it can not simulate the local effects such as temperature and velocity distributions near the calandria tubes. In the framework of nuclear safety, local effects around the calandria tubes are a point of high interest. Predictions of porous medium method previously showed that the moderator flow can develop several hydrodynamic configurations. For some, an asymmetric behaviour in calandria vessel was observed. This can result in boiling of the moderator flow at proximity of fuel channels. In such conditions, the reactivity coefficient can change significantly, resulting in variation of the reactor power. For this reason, a CFD model that takes into account the local effects is therefore necessary to study the motion of the moderator in the calandria. The purpose of this research is to model the complex behaviour of the flow moderator in CANDU-6 calandria, especially at proximity of calandria tubes. These simulations are used to identify possible flow configurations. This study is thus to formulate theoretical bases on behalf of macroscopic instabilities in the moderator, i.e. asymmetric motions which may cause boiling. The project's challenge was to determine the impact of these flow configurations on the reactivity of CANDU reactor.


identifier: Jauzein, T. (2016). Mise en forme et caractérisation des mélanges polylactide/copolymère éther-amide  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les polymères bio-sourcés ont fait l'objet de nombreuses études dans le but de remplacer les matériaux plastiques provenant du pétrole. Parmi les matériaux bio-sourcés, le polylactide (PLA) est maintenant commercialisé pour des applications de thermoformages et d'emballages par extrusion soufflage. Sa transparence, son haut module d'Young, sa contrainte de traction maximale élevée et son coût relativement faible ont fait de ce polymère une solution commerciale viable. Toutefois, sa faible résistance aux chocs et aux hautes températures a limité son utilisation dans de nombreuses applications industrielles.     L'étude ici menée s'intéresse à l'amélioration de la résistance en impact d'un grade de polylactide et tout particulièrement au lien entre la cristallinité des mélanges à base de PLA et leurs propriétés mécaniques. La résistance aux chocs du PLA a été augmentée par l'ajout d'un modifiant choc : un copolymère linéaire aléatoire d'éther-amide (PEBAX 3533TM). Un copolymère linéaire aléatoire d'éthylène, d'acrylate de méthyle et de méthacrylate de glycidyle (LOTADER AX8900TM) a aussi été utilisé pour compatibiliser le modifiant choc avec la matrice de PLA. Les propriétés rhéologiques, mécaniques et thermiques des mélanges trempés et recuits ont été analysées ainsi que leurs morphologies. D'un point de vue rhéologique, les mélanges ont été testés en cisaillement oscillatoire pour déterminer si les additifs utilisés pouvaient augmenter les propriétés à l'état fondu du PLA et améliorer sa résistance thermique. Des tests par DMA ont été effectués sur le PLA et les mélanges pour estimer leur tenue mécanique vis-à-vis de la température. La résistance au test impact Izod et les propriétés de traction ont été mesurées selon les standards ASTM. Une dispersion micrométrique du modifiant choc a été obtenue en présence du compatibilisant. Une estimation de la taille des cristaux de PLA par microscopie optique polarisée a été réalisée. Une augmentation significative de la ténacité des mélanges a été mesurée avec seulement 10 % en poids d'additifs. Les échantillons recuits ont montré les meilleures propriétés en impact avec une résistance atteignant 68 kJ/m2, soit 20 fois celle du PLA.  ABSTRACT: Biobased polymers have been widely studied as substitutes for petroleum-based materials. Among these polymers, polylactide (PLA) has gained commercial acceptance in thermoformed and blow molded packaging applications because of its transparency, high tensile modulus and strength, and its cost competitiveness. However, the low impact strength of PLA and its poor temperature resistance have prevented its widespread use in many industrial applications. The present study focuses on the improvement of impact properties and particularly on the interaction between crystallinity development and mechanical properties of PLA-based blends. The PLA was toughened by the addition of a random linear ether-amide copolymer (Pebax 3533TM) that acted as an impact modifier. A random copolymer of ethylene, methyl-methacrylate and glycidyl-methacrylate (Lotader AX8900TM) was also used to reactively compatibilize the ether-amide copolymer with the PLA matrix. The rheological, mechanical and thermal properties of quenched and annealed blends and their morphology were investigated. In terms of melt rheology, the blends were investigated in oscillatory shear to determine if the impact modifiers could increase the melt strength of the material and its thermal stability. The Izod impact resistance and tensile properties were measured using standard testing protocols. The thermal resistance of the annealed blends was examined using dynamic mechanical analysis. A micron-size dispersion of the impact modifier was achieved in the presence of the reactive compatibilizer. Besides, the morphology of the crystals was analyzed using a polarized optical microscope. Significantly improved impact strength was found with as low as 10 wt% additives. Annealed samples showed the highest impact strength with values attaining 68 kJ/m², 20 times the one of PLA.


identifier: Hentati, A. (2016). Sélection des nœuds dans les réseaux de capteurs sans fil avec récolte d'énergie  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation des réseaux de capteurs sans fil avec récolte d'énergie est une technologie de communication sans fil émergente avec une large variété d'applications telles que la surveillance de l'environnement. Maximiser le nombre d'échantillons prélevés par le collecteur de données à partir des capteurs est une approche clé afin de minimiser les incertitudes de mesure pour ces applications. Le système considéré dans le présent mémoire considère le problème de sélection des noeuds dans les réseaux de capteurs sans fil avec récolte d'énergie afin de maximiser le nombre de capteurs sélectionnés dans un scénario de liaison montante sujet aux contraintes de satisfaction d'un seuil de rapport signal sur bruit requis à la réception. Ce réseau se compose d'un ensemble de capteurs récolteurs d'énergie et un collecteur de données non-récolteur d'énergie, équipé de plusieurs antennes et responsable de la réception des données transmises par les capteurs. En utilisant un récepteur par forçage à zéro (ZF), le collecteur de données sélectionne le plus grand nombre de noeuds possible pouvant transmettre afin de maximiser la quantité reçue de l'information, tout en satisfaisant leurs contraintes de qualité de service (QoS) en terme de rapport signal-sur-bruit. Le problème est formulé comme un programme non linéaire en nombres entiers. On a également prouvé la NP-difficulté du problème. Bien que le nombre optimal de capteurs sélectionnés peut être obtenu par la recherche exhaustive, il est difficile de mettre en oeuvre cette approche dans la pratique en raison de sa complexité prohibitive. Ainsi, deux algorithmes heuristiques et efficaces en termes de complexité et performance sont proposés pour résoudre ce problème. Les résultats des simulations montrent les bonnes performances des algorithmes proposés et illustrent leur capacité d'adaptation et d'efficacité dans le contexte de la récolte d'énergie. Une étude d'équité est également réalisée afin d'évaluer l'équité des algorithmes développés et d'améliorer leurs performances sur ce niveau. Les résultats numériques montrent l'efficacité des améliorations d'équité proposées. Mots clés : récolte d'énergie, sélection des noeuds, réseaux de capteurs sans fil, récepteur « zero-forcing », NP-difficulté, équité.  ABSTRACT: The use of energy harvesting wireless sensor networks is an emerging wireless communication technology with a wide range of applications such as environment monitoring. Maximizing the number of samples collected by the sink from sensors is a key approach in order to minimize uncertainties for those applications. The considered system in this work consists of an uplink scenario with energy harvesting sensors communicating with a non-energy harvesting sink, equipped with multiple antennas, receiving data forwarded by the sensors. Using a zero-forcing (ZF) receiver, the data collector (i.e., sink) selects the largest possible set of transmitting sensor nodes to maximize the received quantity of information, while satisfying their signal-to-noise ratio quality of service (QoS) constraints. This work presents efficient and simple energy harvesting node selection algorithms in energy harvesting wireless sensor networks in order to maximize the number of selected sensors. The problem formulated as an integer non-linear program, is proved to be NP-hard. Although the optimal number of sensors can be found by exhaustive search, it is difficult to implement this approach in practice due to its prohibitive complexity. Thus, two low complexity and efficient heuristic algorithms are proposed to perform node selection decisions. Simulation results show the performance of the proposed algorithms and illustrate their adaptability and efficiency in the energy harvesting context. A fairness study is also performed in order to evaluate the fairness of the developed algorithms and improve their performances in this context. The numerical results show the efficiency of the proposed fairness improvements. Index Terms: energy harvesting (EH), node selection, wireless sensor networks, zero-forcing (ZF) receiver, NP-hardness, fairness.


identifier: Anwar, H. (2016). A Probabilistically Analyzable Cache to Estimate Timing Bounds  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les architectures informatiques modernes cherchent à accélérer la performance moyenne des logiciels en cours d'exécution. Les caractéristiques architecturales comme : deep pipelines, prédiction de branchement, exécution hors ordre, et hiérarchie des mémoire à multiple niveaux ont un impact négatif sur le logiciel de prédiction temporelle. En particulier, il est difficile, voire impossible, de faire une estimation précise du pire cas de temps d'exécution (WCET) d'un programme ou d'un logiciel en cours d'exécution sur une plateforme informatique particulière. Les systèmes embarqués critiques temps réel (CRTESs), par exemple les systèmes informatiques dans le domaine aérospatiale, exigent des contraintes de temps strictes pour garantir leur fonctionnement opérationnel. L'analyse du WCET est l'idée centrale du développement des systèmes temps réel puisque les systèmes temps réel ont toujours besoin de respecter leurs échéances. Afin de répondre aux exigences du délai, le WCET des tâches des systèmes temps réel doivent être déterminées, et cela est seulement possible si l'architecture informatique est temporellement prévisible. En raison de la nature imprévisible des systems informatiques modernes, il est peu pratique d'utiliser des systèmes informatiques avancés dans les CRTESs. En temps réel, les systèmes ne doivent pas répondre aux exigences de haute performance. Les processeurs conçus pour améliorer la performance des systèmes informatiques en général peuvent ne pas être compatibles avec les exigences pour les systèmes temps réel en raison de problèmes de prédictabilité. Les techniques d'analyse temporelle actuelles sont bien établies, mais nécessitent une connaissance détaillée des opérations internes et de l'état du système pour le matériel et le logiciel. Le manque de connaissances approfondies des opérations architecturales devient un obstacle à l'adoption de techniques déterministes de l'analyse temporelle (DTA) pour mesurer le WCET. Les techniques probabilistes de l'analyse temporelle (PTA) ont, quant à elles, émergé comme les techniques d'analyse temporelle pour la prochaine génération de systèmes temps réel. Les techniques PTA réduisent l'étendue des connaissances nécessaires pour l'exécution d'un logiciel informatique afin d'effectuer des estimations précises du WCET. Dans cette thèse, nous proposons le développement d'une nouvelle technique pour un cache probabilistiquement analysable, tout en appliquant les techniques PTA pour prédire le temps d'exécution d'un logiciel. Dans ce travail, nous avons mis en place une cache aléatoire pour les processeurs MIPS-32 et Leon-3. Nous avons conçu et mis en œuvre les politiques de placement et remplacement aléatoire et appliquer des techniques temporelles probabilistiques pour mesurer le WCET probabiliste (pWCET). Nous avons également mesuré le niveau de pessimisme encouru par les techniques probabilistes et comparé cela avec la configuration du cache déterministe. La prédiction du WCET fournie par les techniques PTA est plus proche de la durée d'exécution réelle du programme. Nous avons comparé les estimations avec les mesures effectuées sur le processeur pour aider le concepteur à évaluer le niveau de pessimisme introduit par l'architecture du cache pour chaque technique d'analyse temporelle probabiliste. Ce travail fait une première tentative de comparaison des analyses temporelles déterministes, statiques et de l'analyse temporelle probabiliste basée sur des mesures pour l'estimation du temps d'execution sous différentes configurations de cache. Nous avons identifié les points forts et les limites de chaque technique pour la prévision du temps d'execution, puis nous avons fourni des directives pour la conception du processeur qui minimisent le pessimisme associé au WCET. Nos expériences montrent que le cache répond à toutes les conditions pour PTA et la prévision du programme peut être déterminée avec une précision arbitraire. Une telle architecture probabiliste offre un potentiel inégalé et prometteur pour les prochaines générations du CRTESs.  ABSTRACT: - Modern computer architectures are targeted towards speeding up the average performance of software running on it. Architectural features like: deep pipelines, branch prediction, outof-order execution, and multi-level memory hierarchies have an adverse impact on software timing prediction. Particularly, it is hard or even impossible to make an accurate estimation of the worst case execution-time (WCET) of a program or software running on a particular hardware platform. Critical real-time embedded systems (CRTESs), e.g. computing systems in aerospace require strict timing constraints to guarantee their proper operational behavior. WCET analysis is the central idea of the real-time systems development because real-time systems always need to meet their deadlines. In order to meet the deadline requirements, WCET of the real-time systems tasks must be determined, and this is only possible if the hardware architecture is time-predictable. Due to the unpredictable nature of the modern computing hardware, it is not practical to use advanced computing systems in CRTESs. The real-time systems do not need to meet high-performance requirements. The processor designed to improve average cases performance may not fit the requirements for the real-time systems due to predictability issues. Current timing analysis techniques are well established, but require detailed knowledge of the internal operations and the state of the system for both hardware and software. Lack of in-depth knowledge of the architectural operations become an obstacle for adopting the deterministic timing analysis (DTA) techniques for WCET measurement. Probabilistic timing analysis (PTA) is a technique that emerged for the timing analysis of the next-generation real-time systems. The PTA techniques reduce the extent of knowledge of a software execution platform that is needed to perform the accurate WCET estimations. In this thesis, we propose the development of a new probabilistically analyzable cache and applied PTA techniques for time-prediction. In this work, we implemented a randomized cache for MIPS- 32 and Leon-3 processors. We designed and implemented random placement and replacement policies, and applied probabilistic timing techniques to measure probabilistic WCET (pWCET). We also measured the level of pessimism incurred by the probabilistic techniques and compared it with the deterministic cache configuration. The WCET prediction provided by the PTA techniques is closer to the real execution-time of the program. We compared the estimates with the measurements done on the processor to help the designer to evaluate the level of pessimism introduced by the cache architecture for each probabilistic timing analysis technique. This work makes a first attempt towards the comparison of deterministic, static, and measurement-based probabilistic timing analysis for time-prediction under varying cache configurations. We identify strengths and limitations of each technique for time- prediction, and provide guidelines for the design of the processor that minimize the pessimism associated with WCET. Our experiments show that the cache fulfills all the requirements for PTA and program prediction can be determined with arbitrary accuracy. Such probabilistic computer architecture carries unmatched potential and great promise for next generation CRTESs.


identifier: Pazouki, P. (2016). Cyanobacteria in Surface and Bank Filtered Drinking Water Sources: Application of Phycocyanin Probes for Monitoring Blooms  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les cyanobactéries sont une préoccupation pour les sources d'eau potable étant donné les impacts anticipés des changements climatiques et de l'eutrophisation des plans d'eau. L'objectif principal de ce projet de Maitrise était de proposer un système rapide, à faible coût pour le suivi des cyanobactéries dans les sources d'eau potable. Plus précisément, l'objectif était d'évaluer la précision des sondes à phycocyanine (PC) pour le suivi des cyanobactéries en continu. Pour valider la sonde de PC pour mesurer les concentrations des cyanobactéries et l'abondance du phytoplancton, les résultats de sonde ont été comparés à des comptes cellulaires taxonomiques provenant d'échantillons choisis de l'eau brute.  ABSTRACT: Cyanobacteria are a growing concern in drinking water sources given rising temperatures from global climate change and increasing eutrophication of water bodies. The main goal of this project was to propose a rapid, low cost monitoring system by applying an in situ phycocyanin in drinking source waters. More specifically, the objective was to evaluate the accuracy of phycocyanin (PC) probes for monitoring cyanobacteria in source waters. Continuous monitoring was conducted using an online fluorescence probe to measure phycocyanin. To validate the PC probe for cyanobacteria and phytoplankton abundance results were compared to traditional taxonomic cell counts from raw water grab samples.


identifier: Falsafioon, M. (2016). Moving Grids in Complex Configurations  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

title: Moving Grids in Complex Configurations

abstract: RÉSUMÉ: Un grand nombre d'applications industrielles reposent sur un écoulement qui est produit par le mouvement d'une frontière. Celles-ci présentent de grandes difficultés de modélisation tant du point de vue de la géométrie que de la physique. Malgré de nombreuses tentatives, la problématique de la représentation précise de l'évolution de la discrétisation du domaine demeure un défi. Dans ce travail, on étudie les aspects de la génération de maillages en utilisant une méthodologie de maille mobile dans le cadre des cellules en glissement. Cette approche a été retenue après une analyse critique des méthodes présentement applicables pour aborder l'évolution temporelle de tels domaines de calcul, quant à la complexité des géométries, l'amplitude du mouvement relatif des frontières par rapport au coût et la robustesse de la méthode. Ces critères sont vérifiés globalement par plusieurs classes de méthodes avec les caractéristiques suivantes : Adaptation des frontières : pour une représentation précises de la géométrie. Un seul maillage pour tous les temps : la procédure de génération de maillage est appliquée une seule fois, donnant un maillage de référence à topologie fixe et un nombre constant de sommets. En évitant les différents procédés d'adaptation, les structures de données ne changent pas à chaque étape de temps et ceci donne lieu à une procédure robuste. Mouvement du maillage : l'adaptation aux frontières mobiles est réalisée au travers des déplacements des sommets en utilisant diverses techniques d'optimisation ou de lissage qui en assurent la qualité et la validité. Grâce aux connectivités fixes, ces techniques peuvent être très efficaces, puisque seuls les sommets sont modifiés. La méthodologie proposée hérite de la simplicité conceptuelle décrite ci-dessus, et apporte les contributions spécifiques suivantes, Glissement de mailles dans l'espace physique : le modèle de maille mobile dans le cadre de maillage en glissement est représenté par un corps se déplaçant au travers, et écartant les mailles d'un maillage de référence. En considérant, chaque maille comme une particule autour des frontières du domaine en mouvement, de manière semblable à un écoulement potentiel, et en appliquant une condition de glissement pour les déplacements des mailles, de grandes amplitudes sont possibles et les grandes déformations des mailles sont évitées. Il a été montré qu'en réalisant ces procédures directement dans l'espace physique donne lieu à des maillages de meilleure qualité et plus lisse.  ABSTRACT: A wide range of industrial applications are based on an unsteady flow field which results from the motion of a boundary. These present considerable modelling difficulties with regards to both geometry and flows physics. Despite the numerous approaches addressed at such problems, the issue of the accurate representation of the evolving discretized domain in the context of numerical simulations remains a challenging problem. In this work, we will study the grid generation aspect using a moving mesh methodology based on a sliding cell framework. This approach was selected after a critical review of currently available methods to handle such evolving domains on the basis of the complexity of the geometries, the amplitude of the relative motion of the boundaries versus the cost and the robustness of the method. These criteria are globally satisfied by a few classes of methods with the following characteristics: Body-fitted : for an accurate representation of the boundaries; One mesh for all times : the grid generation procedure is applied once, giving a reference mesh with a fixed topology and a constant number of nodes. By avoiding various dynamic mesh adaptation procedures, data structures do not change at each time step and this results in a robust procedure. Grid motion : the adaptation to the moving boundaries is achieved via the displacement of the nodes using various optimization or smoothing techniques ensuring grid quality and validity. Because of the fixed connectivity, these procedures are can be made very efficient, since it only involves perturbing the vertices. The proposed methodology inherits the conceptual simplicity of the above, and introduces the following specific contributions Sliding mesh in physical space : the model for grid motion in the sliding mesh framework is that of a body moving through, and displacing the cells of a reference mesh. By considering each cell as a particle flowing past the domain's moving boundaries, analogous to a potential flow, and applying a slip condition for the cells' displacements, large amplitude displacements are possible and highly deformed cells are avoided. It was found that carrying out these procedures directly in physical space resulted in better quality and smoother grids. Trajectory : the sliding of the boundary inside the reference mesh requires cell separation and reattachment procedures which, in the original sliding procedure, may result in the generation of invalid cells arrangements.


identifier: Le Naveaux, F. (2016). Biomécanique des configurations d'instrumentation chirurgicale de la scoliose idiopathique de l'adolescence  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La scoliose idiopathique de l'adolescence est une pathologie complexe et évolutive du système musculo-squelettique causant une déformation tridimensionnelle (3D) de la colonne vertébrale. Dans le cas de déformations sévères, une intervention chirurgicale est préconisée. Elle consiste habituellement en l'insertion d'implants (généralement des vis pédiculaires) sur la partie postérieure des vertèbres permettant ensuite de réaliser une succession de manoeuvres chirurgicales pour corriger les déformations scoliotiques 3D. Des tiges métalliques sont insérées dans les implants afin de guider et maintenir l'alignement corrigé des vertèbres. Cette instrumentation rigide vise à promouvoir la fusion osseuse des segments vertébraux instrumentés, empêchant l'évolution subséquente des courbures scoliotiques. La multiplication des systèmes d'instrumentation et le développement de nouvelles manoeuvres de correction offrent aux chirurgiens un large choix de stratégies d'instrumentation. Il existe aujourd'hui une variabilité importante dans la pratique clinique quant au choix de la densité d'implants (nombre moyen d'implants par vertèbre), et du cintrage des tiges (forme donnée aux tiges par le chirurgien avant d'être insérées dans le patient). Une tendance à utiliser de plus en plus d'implants a été notée alors que des préoccupations en termes de sécurité de l'intervention et de coûts. Le nombre d'implants nécessaires et leur distribution sur le segment instrumenté afin de corriger adéquatement les courbures scoliotiques et assurer une répartition des forces de correction sur l'instrumentation sont cependant méconnus. Les efforts auxquels les tiges sont soumises durant la chirurgie peuvent modifier la forme que le chirurgien avait initialement cintrée afin de guider la colonne vertébrale, mais l'impact du cintrage et de ces déformations intraopératoires sur la correction 3D de la scoliose est méconnu. Il n'a pas été investigué si les tiges se déforment dans les années suivant la chirurgie, et si cela a une implication avec des pertes de correction 3D à long terme. Les objectifs de ce projet doctoral étaient : 1. Analyser l'impact de la distribution des implants sur la capacité à corriger en 3D les déformations scoliotiques et sur les efforts supportés par l'instrumentation afin d'orienter le choix des chirurgiens sur un placement stratégique des implants.  ABSTRACT: Adolescent idiopathic scoliosis is a complex and progressive pathology of the musculoskeletal system which causes a three-dimensional (3D) deformation of the spine. For severe spinal deformities, a surgical intervention is recommended. It usually consists of implants (generally pedicle screws) inserted in the posterior part of the vertebrae in order to execute a sequence of corrective maneuvers and correct 3D spinal deformities. Metal rods are inserted in the implants, guiding and maintaining the corrected alignment of the vertebrae. This rigid instrumentation system aims to promote bone fusion over the instrumented segments and to stop the progression of deformities. The multiplication of instrumentation systems and the introduction of new corrective techniques provide surgeons with a large spectrum of instrumentation strategies. Nowadays, there is an important variability of implant density (average number of implants per instrumented level) and rod contouring (shape given to the rods by surgeons) in the clinical practice. An increased number of implants is used for the treatment of scoliosis whereas there are security and economic concerns regarding the use of more implants. The number and distribution of implants required to achieve adequate correction and to ensure sharing of corrective forces in the instrumentation remains unknown. The intraoperative forces supported by the instrumentation during the correction process can change the shape of the rods originally given by the surgeon in order to guide the spine. However, the impact of rod contouring and intra-operative rod deformations on immediate 3D correction are little-known. It has never been investigated whether rod shape changes in the years following surgical instrumentation and whether it is associated with a loss of 3D correction. The objectives of this doctoral project were: 1. To analyze the impact of implant distribution on 3D correction capacity and load sharing in the instrumentation in order to guide surgeons' choice on a strategic implants configuration. 2. To analyze the impact of rod contouring and intra and post-operative rod deformations on deformity 3D correction in order to guide surgeons in rod contouring techniques.