identifier: Ouzilleau, P. (2014). Développement d'un modèle thermodynamique pour les cristallites de coke : application aux systèmes carbone-hydrogène et carbone-soufre  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les matériaux de carbone sont des composantes essentielles pour plusieurs procédés industriels de grande importance. Un exemple important de procédé est la production d'aluminium par le procédé Hall-Héroult. Il est bien connu que d'importantes quantités de matériaux de carbone sont nécessaires pour l'opération de ce procédé. L'évolution des dernières années du contenu en impuretés des matériaux de carbone les plus couramment utilisés motive le développement de nouvelles recherches pour une meilleure compréhension du comportement de ces matériaux lors de différents traitements thermiques. Les matériaux de carbone qui sont le plus souvent utilisés à l'échelle industrielle sont les cokes. Les cokes sont des matériaux de carbone présentant des structures cristallines semblables à celles du graphite suite à un traitement thermique donné à haute température (par exemple, les cokes calcinés obtenus de la cuisson des cokes verts), mais la taille des cristallites des cokes est beaucoup plus petite que celles observées dans le graphite. Pour cette raison, les propriétés thermodynamiques et chimiques de la phase ordonnée des cokes (c'est-à-dire les cristallites du coke) présentent des différences importantes par rapport au graphite (cependant les cristallites de coke de taille infinie présentent des propriétés quasi identiques à celle du graphite). Les cristallites de coke consistent en des empilements de plans hexagonaux d'atomes de carbone présentant de fortes propriétés anisotropiques. À ce jour, aucun modèle thermodynamique formel ne permet de relier l'effet de la taille de la cristallite et l'effet de la composition chimique des cristallites de coke pour la production de calculs thermodynamiques et d'équilibre de phase prédictifs comparables à des mesures expérimentales concrètes. Le présent mémoire propose un nouveau modèle thermodynamique permettant de pallier à cette problématique. Le présent modèle se base sur des connaissances bien définies des propriétés géométriques des cristallites de coke qui permettent, à l'aide d'une géométrie simplifiée, l'écriture de relations mathématiques reliant la géométrie des cristallites aux mesures expérimentales bien connues du diamètre des cristallites (La) et de la hauteur des cristallites (Lc). L'utilisation du Compound Energy Formalism (CEF) est nécessaire afin de poser les bases de la méthodologie du modèle. Sommairement, les structures planaires des cristallites sont divisées en trois sous-réseaux dans lesquels des espèces chimiques indépendantes sont supposées se mélanger de façon aléatoire. Des chemins thermodynamiques appropriés sont utilisés pour définir l'enthalpie relative et l'entropie absolue de ces espèces chimiques. Au final, l'enthalpie relative et l'entropie absolue des cristallites peuvent être calculées pour diverses valeurs de La et ce dans les systèmes chimiques carbone/hydrogène et carbone/soufre. Pour le système carbone/hydrogène, les paramètres du modèle sont basés principalement sur l'entropie de formation de composés organiques hydrogénés simples dans la phase gazeuse (pour l'élaboration des chemins thermodynamiques entropiques du modèle à partir du graphite et de l'hydrogène gazeux monoatomiques qui forment les états de référence pour le carbone et l'hydrogène respectivement) et sur les enthalpies de liaisons carbone/hydrogène (pour les chemins enthalpiques du modèle). De plus, des données supplémentaires sur les propriétés énergétiques des structures graphitiques sont nécessaires pour l'élaboration des chemins thermodynamiques (par exemple, le changement d'enthalpie associé à la délocalisation électronique des structures graphitiques). Les résultats du modèle pour le système carbone/hydrogène sont par la suite comparés à plusieurs expériences concernant la déshydrogénation de divers type de cokes. Un accord très satisfaisant est obtenu entre les courbes de déshydrogénation des cokes calculées de façon prédictive par le modèle et les mesures expérimentales rapportées pour lesquelles les taux de chauffe utilisés étaient suffisamment  faibles. La plus grande partie du contenu en hydrogène des cristallites de coke (ce contenu en hydrogène n'inclut pas les matières volatiles condensées) quitte ces dernières pour des températures situées entre 1100 et 1300 K. De plus, des mesures expérimentales sont rapportées pour l'énergie de Gibbs d'un type de coke par rapport au graphite. Ces mesures ont été obtenues à l'aide d'une technique électrochimique en phase solide. Une stabilité, relative à celle du graphite, évaluée à environ 900 J g-1 pour des températures entre 950 et 1250 K et une valeur de La d'environ 10 nm est rapportée. Cette valeur est en excellent accord avec le présent modèle thermodynamique. Finalement, une discussion ouverte est présentée sur la possibilité de l'existence d'un comportement de dégraphitisation pour les cristallites de coke calculé pour des températures de 2585 K et plus. Pour le système carbone/soufre, l'approche de modélisation est fortement basée sur la modélisation du système carbone/hydrogène. Environ 75% des paramètres du système carbone/hydrogène et du système carbone/soufre sont des paramètres communs. De façon similaire au système carbone/hydrogène, les courbes de désulfurisation prédictives du présent modèle sont comparées aux mesures expérimentales obtenues pour des températures de 1500 K et plus. Un accord très satisfaisant est obtenu entre les résultats du modèle et les mesures expérimentales jugées comparables au modèle. La majeure partie du dégazage du soufre des cristallites de coke est prédit comme ayant lieu pour des températures situées entre 1600 et 1850 K. Cette gamme de température est très similaire aux températures dites de « puffing » typiquement observées durant la désulfurisation de divers types de coke d'origine pétrochimique. La précision du modèle combiné à la transférabilité des paramètres entre le système carbone/hydrogène et le système carbone/soufre contribuent à valider toute l'approche développée à ce jour.  ABSTRACT: Carbon materials are essential components of multiple key industrial processes. One example of such a process is the production of aluminum using the Hall-Heroult process. It is well known that important quantities of carbon materials are regularily consumed by the operation of the Hall-Heroult process. In recent years, the increased impurity content of industrial carbon materials motivated the development of a better understanding for the high temperature behavior of these specific materials. The most common forms of carbon materials used in the industry are cokes. Cokes are carbon materials which, following heat treatment, present a crystalline structure similar to that observed in graphite. However, the observed crystallite size of cokes is usually much smaller than the one observed in graphite. For this reason, the chemical and thermodynamic properties of the ordered phase of cokes (i.e. coke crystallites) are very different than those of graphite (although coke crystallites of infinite size would possess properties almost identical to graphite). Coke crystallites consist of hexagonal planes of carbon atoms stacked one above the other. This particular aspect causes strong anisotropic properties in coke crystallites.  No thermodynamic model was found for the production of a reliable correlation between the effect of crystallite size and chemical composition for the predictive calculations of the thermodynamic properties (and phase equilibriums) of coke crystallites. It is also difficult to produce predictive calculations that can be compared to experimental results using such a thermodynamic model. The goal of the present work is to propose a thermodynamic model designed to solve this problem. The present model is based on the well-defined geometrical properties of coke cristallites. This geometry allows the development of mathematical equations for the calculation of the mass balances of the crystallite (using a simplified geometry) using only the commonly used cristallite size parameters La (diameter of the crystallite) and Lc (height of the crystallite). The use of the Compound Energy Formalism is necessary to establish the methodology of the present model. Globally, the planar structure of the crystallites is divided into three sublattices on which individual chemical species are assumed to mix randomly. Appropriate thermodynamic paths are used to define the relative enthalpies and absolute entropies of these chemical species. The relative enthalpy and absolute entropy of the coke crystallites are derived for various values of La in the carbon/hydrogen and carbon/sulfur chemical systems. For the carbon/hydrogen system, the model parameters are based on the known values for the entropy of formation of simple hydrogenous organic compounds in the gaseous phase and  known carbon/hydrogen bond enthalpies. Also, additional enthalpic properties of coke crystallites and graphitic structures are required for the definition of the thermodynamic paths (for example, the enthalpy associated with the delocalization of one electron in graphitic structures). Results for the carbon/hydrogen system are compared to experiments concerning the dehydrogenation of various cokes. A very satisfying agreement is obtained between the dehydrogenation curves predictively calculated by the model and the reported experimental results (obtained using slow heating rates). Most of the hydrogen content of coke crystallites (this content does not inclue the hydrogen in the condensed volatile matter phase) is predicted to leave the crystalline structure for temperatures between 1100 and 1300 K. Also, experimental measurements of the Gibbs energy of coke relative to graphite are reported. These measurements were obtained using a solid state electrochemical technique. A stabiliy of approximately 900 J g-1, relative to graphite, is reported for temperatures between 950 and 1250 K and for a crystallite size La of ~10 nm. This value is in excellent agreement with the present thermodynamic model. Finally, an open discussion is made on the possible existance of a degraphitization behavior for coke crystallites heat treated above 2585 K. For the carbon/sulfur system, a modeling approach similar to the one developed for the carbon/hydrogen system is used. Approximately 75% of the model parameters of the carbon/hydrogen and carbon/sulfur systems are common to the two models. Predictive desulfurization curves using the current thermodynamic model are presented for temperatures above 1500 K. A very good agreement is obtained between the model calculations and the reported experimental data. Most of the sulfur content of coke crystallites is predicted to leave the crystallites for temperatures between 1600 and 1850 K. This temperature range is very similar to the puffing temperatures typically found during the desulfurization of petrochemical cokes. The good precision of the model for both studied systems (carbon/sulfur and carbon/hydrogen) combined with the transferability of the model parameters between the carbon/hydrogen and carbon/sulfur systems tend to validate the global approach developed so far.


identifier: Bontems, P. O. (2014). Stratégie industrielle du bioraffinage de la lignine et méthode pour atténuer les risques dans le modèle d'affaires  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Dans un contexte de meilleure gestion des ressources terrestres et de développement de produits chimiques basés sur une biomasse renouvelable, la lignine offre une excellente alternative de remplacer certains dérivés d'origine fossile. Alors que l'industrie forestière en Amérique du Nord et en Europe (principalement des pâtes et papiers) est actuellement en recherche de nouveaux modèles d'affaires plus profitables commercialement, les stratégies de bioraffinage de la lignine pour l'obtention de produit à valeur ajoutée offrent de potentielles solutions technologiques et économiques durables. La lignine est connue depuis plus d'un siècle, cependant elle n'a jamais rencontrée le succès commercial de grande envergure correspondant à son potentiel pour les produits à valeur ajoutée, exception faite de la vanilline. Chaque année, des quantités de lignine, évaluées à 50 millions de tonnes, sont solubilisées dans la liqueur noire des usines kraft et sulfite, en tant que coproduit de basse qualité de la production de pâte à papier. Dans les usines kraft, le pouvoir énergétique de la lignine sert à générer les besoins nécessaires en énergie produite par la bouilloire de récupération; malgré ses opportunités dans les dérivés à valeur ajoutée. Un facteur majeur entravant son développement industriel subsiste : la complexité et la variabilité de la structure aromatique de la lignine, considérée comme une trop grande source d'incertitudes dans le milieu industriel. D'une part, mesurer les propriétés de la lignine mène souvent à des incertitudes sur les valeurs analytiques, donnant lieu à des incohérences dans la littérature scientifique. Et d'autre part, plusieurs dizaines de technologies d'extraction de lignine sont potentiellement disponibles; sans que les propriétés de leur lignine technique, ni que l'affinité entre les fonctionnalités de leur lignine et un portefeuille de produits, ne soient explicites. En outre, leur niveau de maturité est radicalement différent et les informations disponibles ne permettent pas toujours de comparer ces technologies ou de distinguer clairement leurs avantages compétitifs respectifs pour la commercialisation de dérivés de lignine à valeur ajoutée. À ce jour, Borregaard et Meadwestvaco sont les principales compagnies ayant commercialisé leurs lignines dans des produits de spécialité pour des marchés de niche; par exemple comme additif pour ciment ou agent dispersant de coloration. Leurs prix de vente peuvent aller jusqu'à 3000$\$$ par tonne; ce qui représente un bon profit, puisque les coûts de production de la lignine sont généralement dans une fourchette moyenne de 500-700$\$$ par tonne. Ces marchés très ciblés vi ne concernent que de petits volumes de lignine. Dans le monde industriel, il y a toujours eu des compagnies capables de produire de larges quantités de lignine. Or, celles-ci n'envisageant pas d'investir dans l'extraction de lignine pour des produits à valeur ajoutée, sans l'existence de marchés déjà prêts à absorber de telles quantités, la production ne se mettait pas en oeuvre. Pendant ce temps, des clients potentiels auraient pu être intéressés à développer des produits commerciaux de lignine, mais ne souhaitaient pas investir sans qu'une quantité suffisante de lignine de qualité ne soit déjà produite et disponible. Ce paradoxe de « l'oeuf et la poule » posait un dilemme sérieux pour le développement technologique de la lignine. Malgré le risque que cela représente, plusieurs compagnies viennent récemment d'implanter des unités d'extraction de lignine à l'échelle commerciale, dans le but de sortir de ce contexte inextricable. Bien que dans un premier temps, la lignine servira à la production d'énergie ou d'électricité, il est prévu de progressivement l'utiliser dans des produits à valeur ajoutée et améliorer ainsi le retour sur investissement. Tous les éléments pour le développement du bioraffinage de la lignine se mettent en place et une expansion rapide est attendue dans les cinq prochaines années. Déjà d'autres compagnies projettent à leur tour d'investir prochainement pour implanter des unités d'extraction de lignine dans leur usine. Il existe plusieurs combinaisons prometteuses de technologies et de produits, mais les données disponibles, les moyens de les évaluer et de les comparer restent limités. En vue du contexte actuel, des efforts doivent être rapidement faits afin de construire des modèles d'affaires robustes et profitables. L'objectif de cette thèse est (1) d'analyser les données pertinentes de la littérature et les informations récentes d'experts dans le domaine pour en dégager des recommandations critiques et des règles heuristiques fondamentales; et (2) de développer une méthode afin d'examiner les aspects de faisabilité technique, technologique et économique; et les risques pour construire des alternatives compétitives de bioraffinage de la lignine. La méthodologie consiste à : • Assembler des données cruciales de la littérature passées et récentes pour dégager les éléments critiques clés, pouvant apporter de la valeur pour la génération de stratégies de bioraffinage de la lignine. • Affiner et rationaliser ces éléments, et spécialement les règles heuristiques, pour suggérer des recommandations et développer une méthode de construction de telles stratégies. vii • Mettre à l'essai la méthode proposée dans un cas d'étude de produit à valeur ajoutée prometteur pour la lignine; dont le choix s'est porté sur les résines phénoliques. • Évaluer le potentiel de généraliser la méthode à n'importe quel autre dérivé de lignine à valeur ajoutée. Les résultats globaux indiquent qu'il reste à effectuer un important travail de recherche et de développement des techniques analytiques pour l'adaptation à la complexité de la molécule de lignine. En l'état actuel des connaissances, des informations pratiques peuvent tout de même être tirées, e.g. des règles heuristiques pour l'utilisation de la lignine dans certains produits à valeur ajoutée ou la comparaison des types de lignine à travers une base de données globale. Grâce à l'optimisation du choix de conception par des règles heuristiques, la méthode a permis de définir des avantages compétitifs techniques, technologiques et économiques; puis d'identifier et d'atténuer les risques dans l'implantation de stratégies spécifiques aux résines phénoliques à base de lignine, esquissée avec une approche par phases. Ultérieurement, des approfondissements pourraient être réalisés quant aux éléments présentés dans ce mémoire. En effet, deux principales limites pourraient être que: • les incertitudes sur les propriétés de la lignine étant encore substantielles, et les données des technologies d'extraction étant émergentes (à un stade précoce de commercialisation), l'exactitude des règles heuristiques dégagées de la littérature pourrait être remise en question. De toute évidence, les perspectives vont être amenées à changer rapidement. • l'approche pratique proposée offre un point de départ intéressant, sans toutefois apporter des réponses absolues, faute du manque d'information pour certains dérivés de lignine et de l'ignorance des produits prometteurs à base de lignine dans le futur. Aussi, son application dans un contexte spécifique peut impliquer l'ajout ou la modification d'étapes méthodologique pour la construction des stratégies de bioraffinage. Finalement, le bénéfice du projet est d'assembler les éléments clés permettant d'avoir un aperçu global actualisé du bioraffinage de la lignine pour de susceptibles investisseurs ; tout en proposant une méthode pratique, adaptable à différents contextes industriels, pour définir des stratégies de bioraffinage forestier avec la lignine. Ces alternatives pourront ensuite être analysées par des outils de conception détaillée plus complexes, utilisés au sein des compagnies. La fiabilité de la méthode se situe dans son approche intemporelle de l'ingénierie basée sur les viii règles heuristiques: c'est le rôle de l'ingénieur d'utiliser au mieux les ressources disponibles pour faire face à l'incertitude d'un problème, et y chercher une solution. Ainsi, malgré l'évolution rapide de ce secteur industriel, la méthode systématique développée devrait invariablement répondre au besoin de conception stratégique, seules les informations utilisées seront amenées à changer, selon le contexte ou le degré de précision.  ABSTRACT: Against a background of better management of land resources and the development of chemicals based on renewable biomass, lignin is an excellent alternative to fossil fuel derivatives. While the forest industry in North America and Europe (mainly pulp and paper) is currently looking for new, more commercially profitable business models, the strategies of lignin biorefineries for value-added production offer potential solutions both technologically and economically sustainable. We have known about lignin for over a century, yet, with the exception of vanillin production, it has never achieved the large-scale commercial success corresponding to its potential in valueadded products. Each year, an estimated 50 million tons of lignin are dissolved in black liquor from kraft and sulfite mills as a low quality coproduct of pulp production. In kraft mills, the energy potential of lignin is used to generate the necessary energy requirements produced by the recovery boiler; whereas it could be enhanced through value-added purposes. A major factor impeding the industrial development of lignin is the complexity and the variability of its aromatic structure, which is considered too great an uncertainty in the industry. On the one hand, the measurement of lignin properties often leads to inaccuracies in the measured values; this has led to discrepancies in the literature. On the other hand, several dozen lignin extraction technologies are potentially available; such technologies are emerging, without having clear properties of their technical lignin. Also, affinity between their lignin functionalities and an ideal product portfolio are not easily delineated. Furthermore, their level of development is radically different and the information available does not always permit comparison of these technologies, or the clear distinction of their respective competitive advantages for marketing value-added lignin derivatives. To date, Borregaard and Meadwestvaco are prime examples of companies that have marketed their lignins in specialty products for niche markets; for example, as a cement additive or as a dye-dispersing agent. Their price can reach up to $\$$3,000 per ton, which is a good profit considering lignin productions prices between $\$$200-800 per ton; but concerns only small market volumes for lignin. In the industrial world, there have always been companies capable of producing larger amounts of lignin. However, no company wants to invest in lignin extraction for value-added products without readily accessible markets to absorb such quantities. Meanwhile, x potential clients have indicated an interest in developing commercial lignin products, but have been reluctant to invest without a sufficient amount of quality lignin already produced and available. This "chicken and egg" paradox poses a serious dilemma for the industrial development of lignin. Despite the risk, several companies have recently set up delignification plants at commercial scale to change this inextricable context. Although initially lignin will be used in the production of energy or electricity, it is expected gradually to be used in value-added products, and thus, to improve its return on investment. All the elements for the rapid development of lignin biorefineries are in place, and rapid expansion is expected in the next five years; meanwhile, other companies have already invested in the future installation of lignin precipitation units in their mills. There are several promising combinations of technology and products, but the available data and the means to evaluate and to compare them remain limited. In view of the current context, efforts should be made to quickly build robust and profitable business models. The objective of this thesis is (1) to analyze the relevant data from the literature and recent expert information in the field to reveal crucial recommendations and fundamental heuristic rules; and (2) to develop a method to examine aspects of competitive advantage and risks to build successful lignin biorefinery strategies. The methodology involves: • Assembling relevant data from past and recent literature to identify key elements that can bring value in building a lignin biorefinery strategy. • Refining and streamlining these elements, particularly some heuristics, to suggest some recommendations and to develop a method of elaborating such strategies. • Testing the proposed method in a case study of a very promising value-added lignin product, namely, phenolic resins. • Assessing the potential to generalize the method to any value-added derivative of lignin. The overall results indicate that there remains important research and development work of analytical techniques to adapt to the complex lignin molecule. In the current state of knowledge, practical information may still be highlighted, e.g. heuristic rules for the use of lignin in some value-added products or the comparison of lignin types through a global database. Due to xi optimization in the choice of technology design and the identification of technical, technological and economical competitive advantages; the method allowed to characterize and mitigate risks for lignin-based phenolic resins strategies, before describing steps to commercial implementation following a phase approach. A more thorough consideration could be made as to the materials presented in this paper. Indeed, two main limitations could be: • Uncertainties about lignin properties continuing to be substantial and data of extraction technologies still emerging (early commercialization), the accuracy of heuristic rules emerging from the literature may be challenged in the future. In all cases, the concepts will be undergoing rapid change. • The practical approach proposed provides an interesting starting point without providing absolute answers, due to the lack of information on some lignin derivatives and the ignorance of promising lignin-based products that have yet to be discovered. Also, its application in a specific context may involve the addition or modification of steps in the construction of a strategy regarding lignin biorefinery. Finally, this project provides benefit by assembling the key elements to have a judicious and accurate overview of lignin biorefinery for likely investors: by offering a practical method of reference that is easily adaptable to different industrial contexts, in order to evaluate the strategies of forest lignin biorefineries by experts in forestry companies. The reliability of the method lies in its timeless approach to engineering and design: it is the role of the engineer to use the best resources available to deal with the uncertainty of a problem by attempting to answer it through the use of heuristic rules. Thus, despite rapid changes in the industry, the systematic method developed should invariably meet the need for strategic design; only the basic data will have to be updated and refined.


identifier: Dugré, A. (2014). A Design Process Using Topology Optimization Applied to Flat Pressurized Stiffened Panels  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conception de structures légères et efficaces est essentielle dans l'industrie aérospatiale pour atteindre les performances voulues. Le processus de conception classique consiste à générer un premier concept basé sur l'expérience et la connaissance et à l'améliorer par la suite au cours de plusieurs itérations. L'émergence de l'optimisation topologique change ce processus puisque cette méthode peut montrer la distribution optimale de la matière afin de générer un concept initial amélioré. Ceci peut réduire le temps du cycle de conception et améliorer la performance finale. L'optimisation topologique pour la conception de structures aéronautiques a été appliquée dans des études de cas industrielles fructueuses. Cela encourage l'exploration de cette technologie chez Bombardier Aéronautique afin d'évaluer ses bénéfices potentiels et de définir les meilleures pratiques. L'objectif de ce projet est d'explorer l'application de l'optimisation topologique pour la conception d'une cloison de pressurisation arrière d'avion et de développer un nouveau processus de conception basé sur les connaissances acquises. Une revue de littérature est d'abord conduite afin de se familiariser avec le sujet et les travaux existants. Cette revue met l'emphase sur la technique d'optimisation topologique (Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)) et le processus de conception l'utilisant. Cette méthode est sélectionnée car elle est utilisée couramment et elle est implémentée dans des logiciels commerciaux disponibles. Dans cette étude, l'optimisation topologique est utilisée pour déterminer le raidissement optimal pour supporter la peau pressurisée de la cloison plane. Cependant, aucune application industrielle du processus pour la conception de structures pressurisée n'existe à notre connaissance. Aussi, la recherche sur le raidissement optimal de plaque par optimisation topologique est limitée puisque des contraintes typiques de conception comme la contrainte du matériau et le déplacement ne sont pas considérées. De plus, les résultats sont comparés à une plaque d'épaisseur uniforme ce qui n'est pas représentatif d'un concept de panneau raidi classique.  ABSTRACT: The design of light and efficient structures is essential in aerospace industry to meet performance targets. The typical design process consists of generating a first design based on experience and knowledge and improving it during several iterations. The emergence of topology optimization changes this process since this technology can show optimal material placement in order to generate an improved initial concept. This can reduce design cycle time and improve the final performance. Topology optimization for the design of aircraft structures has been applied in successful industrial case studies. This encourages the exploration of this technology within Bombardier Aerospace in order to evaluate its potential benefit and define best practices. The objectives of the project are to explore the application of topology optimization for the design of an aircraft's rear pressure bulkhead and to develop a design process based on the acquired knowledge. A literature review was first conducted in order to improve the knowledge on topology optimization. The review focussed on the topology optimization technique (Solid Isotropic Material with Penalization (SIMP)) and the design process using it. This method is selected because it is commonly used and it is implemented in available commercial softwares. In this study, topology optimization is used to determine the optimal stiffener layout to support the pressurized skin of the flat bulkhead. However, no industrial application of the process for the design of pressurized structures exists to our knowledge. Also, the research on optimal plate stiffening using topology optimization is limited as it does not consider typical design constraints such as stress and displacement. Moreover, the results are compared to a uniform thickness plate which is not representative of a typical stiffened panel design. In order to fill this knowledge gap and explore the application of the topology optimization for pressurized plate stiffening, the bulkhead design case is simplified as a flat rectangular pressurized plate. Topology optimization is used to determine an optimal stiffener layout and results are compared with a typical design. The experience and knowledge acquired with this simplified study is then used to develop the new design process based on axiomatic design principles.


identifier: Sagol, E. (2014). Three Dimensional Numerical Predicton of Icing Related Power and Energy Losses on a Wind Turbine  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs régions du Canada sont soumises à des conditions hivernales difficiles qui persistent pendant plusieurs mois. En conséquence, les éoliennes situées dans ces régions sont exposées aux effets du froid, à l'accumulation de glace et à leurs effets négatifs qui se manifestent de la perte de puissance temporaire jusqu'à l'arrêt complet de la machine. Dans certains sites au Canada, la perte de production annuelle d'une turbine éolienne peut atteindre jusqu'à 16% de sa valeur nominale et l'estimation de ces pertes avant la construction d'un parc éolien devient essentielle pour les développeurs et investisseurs. La revue de la littérature montre que la plupart des logiciels de prévision de givrage ont été développés pour les avions, et sont, en majorité, la propriété d'entreprises et inaccessibles aux chercheurs oeuvrant dans d'autres domaines. En plus, le givrage des avions est différent de celui de l'éolienne. Les éoliennes sont exposées à des conditions de givrage pour des périodes beaucoup plus longues que les avions, peut-être pour plusieurs jours dans un climat rude, alors que la durée maximale de l'exposition d'un avion est d'environ 3-4 heures. En outre, les pales d'éoliennes fonctionnent à des vitesses subsoniques, à des nombres de Reynolds inférieurs à ceux des avions, et leurs caractéristiques physiques sont différentes. Quelques logiciels ont été cependant développés pour le givrage des éoliennes. Toutefois, ils sont soit en 2D et ne considèrent pas les caractéristiques 3D du champ d'écoulement, ou se concentrent sur la simulation de chaque rotation d'une manière dépendante du temps, ce qui n'est pas pratique pour le calcul de longues heures de l'accumulation de glace. Dans ce contexte, notre objectif dans cette thèse est de développer une méthodologie numérique 3D pour prédire la forme de givre et la perte de puissance d'une éolienne en fonction des conditions météorologiques. En plus, nous calculons la production énergétique annuelle d'une turbine typique pour des conditions normales d'exploitation et en tenant compte des évènements givrants. Les calculs sont effectués en utilisant une éolienne pour laquelle des nombreuses données sont disponibles, l'éolienne NREL Phase VI et les conditions météorologiques d'un parc éolien en Suède pour lequel les évènements de givrage sont enregistrés et publiés. La méthode proposée est basée sur le calcul et la validation de la performance de l'éolienne propre, le calcul de la forme de givre et de la performance de la pale givré, pour des conditions de givrage typiques.  ABSTRACT: Regions of Canada experience harsh winter conditions that may persist for several months. Consequently, wind turbines located in these regions are exposed to ice accretion and its adverse effects, from loss of power to ceasing to function altogether. Since the weather-related annual energy production loss of a turbine may be as high as 16% of the nominal production for Canada, estimating these losses before the construction of a wind farm is essential for investors. A literature survey shows that most icing prediction methods and codes are developed for aircraft, and, as this information is mostly considered corporate intellectual property, it is not accessible to researchers in other domains. Moreover, aircraft icing is quite different from wind turbine icing. Wind turbines are exposed to icing conditions for much longer periods than aircraft, perhaps for several days in a harsh climate, whereas the maximum length of exposure of an aircraft is about 3-4 hours. In addition, wind turbine blades operate at subsonic speeds, at lower Reynolds numbers than aircraft, and their physical characteristics are different. A few icing codes have been developed for wind turbine icing nevertheless. However, they are either in 2D, which does not consider the 3D characteristics of the flow field, or they focus on simulating each rotation in a time-dependent manner, which is not practical for computing long hours of ice accretion. Our objective in this thesis is to develop a 3D numerical methodology to predict rime ice shape and the power loss of a wind turbine as a function of wind farm icing conditions. In addition, we compute the Annual Energy Production of a sample turbine under both clean and icing conditions. The sample turbine we have selected is the NREL Phase VI experimental wind turbine installed on a wind farm in Sweden, the icing events at which have been recorded and published. The proposed method is based on computing and validating the clean performance of the turbine, and then computing the ice shape and iced blade performance, under icing conditions. The first step is to compute the performance of the NREL Phase VI using the commercial ANSYS-FLUENT computational fluid dynamics (CFD) tool. In order to reduce the computational cost, we use a rotating reference frame model which computes the flow properties as time-averaged quantities.


identifier: Rahimi, M. (2014). Cloud Based IP Multimedia Subsystem (IMS) Architecture to Integrate Vehicular Ad Hoc Network (VANET) and IMS  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réseaux Ad Hoc véhiculaires (VANET) représentent une technologie spéciale, dans la catégorie des réseaux ad hoc sans fils. Ils visent la sécurité routière, une plus grande efficacité et une meilleure organisation au sein des systèmes de transport. Ils favorisent l'avènement de nouvelles applications relatives à l'ingénierie, la gestion de trafic, la dissémination d'informations d'urgence pour éviter les situations critiques, le confort et le divertissement, ainsi que plusieurs autres «applications utilisateur».  Le sous-système multimédia IP (IP Multimedia Subsystem, IMS), a été standardisé par le projet «Third Generation Partnership Project» (3GPP) pour les réseaux hétérogènes avec un support de la qualité de service. Cette plateforme a été proposée dans le but d'offrir aux utilisateurs finaux des services multimédia tels que la voix, les données et la vidéo, la facturation ainsi que l'intégration des services tout-IP. Avec l'avènement de IMS, il est désirable d'offrir aux utilisateurs des réseaux véhiculaires (VANET), un accès aux services de ce sous-système. Cependant, les caractéristiques de ces réseaux posent des difficultés majeures pour le contrôle des performances des services IMS. Par ailleurs, le «réseau cœur » de IMS présente aussi des limitations telles que le contrôle centralisé, la faible efficacité et une faible évolutivité au niveau des équipements du réseau cœur en comparaison aux infrastructures de réseau utilisant le Cloud Computing. Le Cloud Computing est un nouveau paradigme des technologies de l'information, offrant des ressources extensibles dynamiquement, souvent au moyen de machines virtuelles et accessibles en tant que services sur Internet. La migration de l'IMS au sein du Cloud peut permettre d'améliorer les performances de l'infrastructure IMS. Ce projet propose une architecture novatrice d'intégration des réseaux VANET, IMS et le Cloud Computing.  ABSTRACT: Vehicular Ad Hoc network (VANET) is a special technology in wireless ad hoc networks. It can be used to provide road safety, efficiency and traffic organization in transportation system. Thus, new applications arise in several fields such as traffic engineering, traffic management, dissemination of emergency information in order to avoid critical situations, comfort, entertainment and other user applications. IP multimedia Subsystem (IMS) is a subsystem, standardized with Third Generation Partnership Project (3GPP). The IMS supports heterogeneous networking with Quality-of-Service (QoS) policy. The goal of this platform is to integrate All-IP services and to provide final user with multimedia services such as voice, data and video with appropriate billing mechanisms. With the advent of the IP Multimedia Subsystem, it is desirable to provide VANET end-users with IMS services. However, characteristics of VANET cause major challenges to control the performance of IMS services. On the other hand, the traditional IMS core network faces a set of problems such as centralized control, low efficiency and poor scalability of core equipment, compared with the IT environment using Cloud Computing. Cloud Computing is an emerging paradigm in the field of information technology. In this new paradigm, dynamically scalable and often virtualized resources are provided as services over the Internet. The migration of IMS to cloud can improve its performance. This project proposes an innovative architecture in order to integrate VANET, IMS and Cloud Computing.


identifier: Abdali, H. (2014). Development of Antibacterial Structures and Films Using Ground Plants, Extracts/Essential Oils  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les recherches portant sur les emballages alimentaires ont été principalement ciblées sur l'amélioration de la sécurité sanitaire et de la qualité nutritionnelle de l'aliment.  Selon les normes internationales, un emballage approprié fournit également une plus longue durée de vie du produit alimentaire.  De nouvelles stratégies d'emballages actifs sont en plein essor dans l'industrie de l'emballage, où de nouveaux matériaux multifonctionnels et l'utilisation d'agents antimicrobiens naturels gagnent un intérêt croissant.  Le développement de nouveaux matériaux, en particulier les matériaux innovants antimicrobiens et naturels peut aider à répondre à ces besoins associés à d'autres fonctions de l'emballage telles que: la protection et la conservation des aliments, le marketing et la communication intelligente pour les consommateurs.  Les plantes médicinales comme le clou de girofle, le thym, le romarin, la citronnelle,  la cannelle et autres ont la capacité d'inhiber la croissance d'une vaste sélection de microorganismes pathogènes du fait de la présence d'huiles essentielles (HÉ) et de leurs composés. Les propriétés antimicrobiennes des HÉ et des extraits de plantes sont connues et utilisées depuis de nombreuses années.  Néanmoins, certaines de ces HÉ et leurs composés ont montré des degrés variables de toxicité et d'effets indésirables sur la santé humaine.     Les résultats de l'analyse thermogravimétrique (TGA) de notre étude ont clairement montré que lors de l'étude de la libération du thymol des films de LDPE et LLDPE vers la surface au cours du temps et à des températures élevées, le taux d'évaporation du thymol augmente pendant le mélange en extrusion bi vis et en mélangeur interne.  Par conséquent, il a été décidé de travailler avec les poudres des plantes elles-mêmes, à la place de leurs huiles essentielles.  Dans la première étape, les activités antimicrobiennes contre la bactérie Escherichia coli (E. coli DH5α) des poudres de plantes moulues dont la sauge, le clou de girofle, les feuilles de clou de girofle, la citronnelle, les graines de moutarde noire, les feuilles de menthe sauvage et les feuilles de thym ont été évalués et comparées.  La poudre de clou de girofle (Syzygium aromaticum) a montré l'activité antimicrobienne la plus élevée par rapport aux autres plantes utilisées dans cette étude.  La concentration minimale bactéricide (MBC) de la poudre de clou de girofle contre E. coli a également été mesurée en utilisant deux méthodes différentes de stérilisation. Les résultats ont montré que les valeurs de CMB de la poudre de clou de girofle avant stérilisation étaient de 200 mg/ml. Après stérilisation avec deux méthodes différentes, les valeurs étaient ≥ 50 mg/ml. La deuxième étape de cette étude était d'étudier l'effet inhibiteur du clou de girofle en poudre contre la croissance d'une bactérie à Gram négatif : Escherichia coli (E. coli DH5α) et deux bactéries à Gram positif : Listeria innocua (L. innocua SPQ3284) et Staphylococcus aureus (S. aureus 54-73).  La concentration minimale inhibitrice (CMI) et la concentration minimale bactéricide (CMB) ont été déterminées en utilisant la technique de dénombrement sur gélose.  Les résultats ont montré que la poudre de clou de girofle a eu un effet inhibiteur de croissance contre les bactéries testées.  Les valeurs des CMI et CMB ont clairement montré que la poudre de clou de girofle possède une activité antimicrobienne plus élevée contre S. aureus comparativement à     E. coli et L. innocua. Les valeurs des CMI et CMB de la poudre de clou de girofle contre S. aureus sont de 100 mg/ml et 120 mg/ml, respectivement. La distribution de taille des particules de poudre de clou de girofle a été mesurée et la taille des particules a été réduite en utilisant la technique de broyage à sec. Dans la dernière étape, l'activité antimicrobienne de films et de fibres contenant de la poudre de clou de girofle a été évaluée.  Les nanofibres de Poly (caprolactone ε-) (PCL) et clou de girofle en poudre ont été préparées par le processus d'électrofilage, tandis que pour les films, la poudre de clou de girofle a été intégrée par imprégnation dans le polyéthylène à basse densité (LDPE).  L'activité antimicrobienne de la poudre de clou de girofle n'a pas montré un effet antimicrobien élevé lorsque incorporée dans les fibres électrofilées de PCL.  Ceci a été attribué à une mauvaise solubilisation des poudres dans les solvants (DCM: DMF).  Le film de LDPE imprégné deux fois avec la poudre de clou de girofle a montré les effets antimicrobiens les plus élevés contre la bactérie E. coli.  ABSTRACT: Food packaging research has been mainly targeted towards improving food quality and safety. Based on international standards proper food packaging provides longer product shelf life.  New active packaging strategies represent the focal point in development in the packaging industry, where new multifunctional materials and the use of natural antimicrobial agents are gaining increasing interest.  The development of new materials, and particularly innovative natural antimicrobial materials, may assist to address these requirements coupled with other packaging functions such as: food protection and preservation, marketing and smart communication to consumers.  Medicinal plants like clove, thyme, rosemary, lemon grass, cinnamon and others have the ability to inhibit the growth of a vast selection of pathogenic microorganisms due to the presence of essential oils (EOs) and their compounds.  The antimicrobial properties of EOs and plant extracts have been known and used for many years.  Nevertheless, some of these EOs and their compounds have shown varying degrees of toxicity and adverse effects on human health.  The thermogravimetric analysis (TGA) results in our study have clearly demonstrated that while studying the release of thymol from LDPE and LLDPE films to the surface of the films over time, at high temperatures, the evaporation rate of thymol increased during blending with LDPE and LLDPE by using twin-screw extruder and Brabender.  Therefore, it was decided to work with the plant powders themselves instead of the essentials oils.  In the first step, the antimicrobial activities of ground powdered plants such as sage, clove bud, clove leaf, lemongrass, black mustard seed, wild mint leaf, and thyme leaf against Escherichia coli (E. coli (DH5α)) were evaluated and compared.  The clove bud powder (Syzygium aromaticum) showed the highest antimicrobial activity compared to the other ground plants used in this study.  Then the minimum bactericidal concentration (MBC) of the clove bud powder against E. coli was measured by using two different methods of sterilization.  The results showed that, the MBC values of the clove bud powder without sterilization was 200 mg/ml and with two different methods of sterilization were ≥ 50 mg/ml.  The second step of this study was to investigate the growth inhibitory effect of the powdered clove bud against one Gram-negative bacteria Escherichia coli (E. coli) (DH5α) and two Gram-positive Listeria innocua (L. innocua) (LSPQ3284) and Staphylococcus aureus (S. aureus) (54-73) microorganisms, the minimum inhibitory concentration (MIC) and the minimum bactericidal concentration (MBC) tests were carried out using the agar plate counting technique.  The findings indicated that the clove bud powder had a growth inhibitory effect against the tested bacteria.  The MIC and MBC values have clearly shown that the clove bud powder has higher antimicrobial activity against S. aureus than E. coli and L. innocua, where the MIC and MBC values of clove bud powder against S. aureus were 100 mg/ml and 120 mg/ml, respectively.  The particle size distribution of clove bud powder was measured and the size of the particle was reduced by using the dry milling technique.  In the final step, the antimicrobial activity of the clove bud powder was evaluated when applied into films and fibers.  Poly (ε- caprolactone) (PCL) and clove bud powder was produced via the electrospinning process, then, the clove bud powder was embedded into the low-density polyethylene (LDPE) film in this study.   The antimicrobial activity of the clove bud powder did not show a strong antimicrobial effect when incorporated into PCL electrospun fibers, which was attributed to the improper dissolution of powders in the solvents (DCM: DMF).  The LDPE film embedded with the clove bud powder when coated twice, showed the strongest antimicrobial effects against E. coli bacteria.


identifier: Souilah, B. (2014). Modèle bayésien d'agrégation des avis d'experts en exploitation d'équipements, application à l'optimisation de la disponibilité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le travail proposé dans ce mémoire traite le problème de la prise en compte des avis d'experts en exploitation des équipements industriels dans les modèles statistiques de fiabilité, de maintenance et de disponibilité. Les avis d'experts sont formulés sous forme de distributions a priori sur des paramètres inconnus de ces derniers modèles. L'inférence bayésienne est proposée comme une méthode de construction des distributions a postériori de ces mêmes paramètres en tenant compte des données de vraisemblance collectées lors de l'exploitation d'un équipement. Ainsi, trois modèles sont développés et résolus à l'aide des méthodes de simulation de chaînes de Markov de type MCMC. Le premier modèle concerne l'agrégation des avis d'experts issus d'un même domaine d'expertise formulés sur un seul paramètre. Le second propose un modèle d'agrégation des avis formulés sur deux paramètres, les experts proviennent de deux domaines d'expertises différentes. Ces deux premiers modèles sont validés à l'aide de trois critères statistiques : le DIC (Deviance information criterion), le p-value bayésien et le test non paramétrique de mesure de tendance des données. Le troisième modèle concerne l'optimisation de la disponibilité d'un équipement avec une actualisation du taux de défaillance et du taux de réparation sur plusieurs périodes. Les trois modèles ainsi que les algorithmes de résolution sont programmés sous Matlab. Des données de simulation ont été exploitées afin de tester la logique de modélisation et d'analyser la performance des modèles proposés.  ABSTRACT: The work proposed in this document addresses the problem of combining different opinions of experts about unknown parameters within the reliability, maintenance and availability models. Expert opinions are characterised using a prior distribution functions of these unknown parameters. The Bayesian inference is proposed as a modeling approach to establish the posterior distribution functions of the same unknown parameters with respect to the likelihood data collected during the operation time of the equipment. Thus, three models are developed and solved using Markov Chains Monte Carlo (MCMC). The first model concerns the aggregation of expert opinions from the same area of expertise made on a single unknown parameter. The second provides an aggregation of opinions on two unknown parameters. The experts belong to two different areas of expertise. These first two models are validated using three statistical criteria: DIC (Deviance information criterion), the bayesian p-value and the nonparametric test of Fisher which measures the data trend. The third model concerns the optimization of the availability of equipment with a discount of the failure and repair rates over several periods of time. These three models as well as the solving algorithms are programmed using Matlab software. Simulation data were used to test the logic of modeling and to analyze the performance of the proposed models.


identifier: Canbakan, A. (2014). Validation d'un nouveau calcul de référence en évolution pour les réacteurs thermiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'autoprotection des résonances est un élément essentiel dans les schémas de calcul déterministes. Bien qu'il soit incontournable dans les codes réseaux, il introduit un biais non négligeable au niveau des paramètres évalués tel que le flux. Jusqu'à présent dans les études françaises pour réacteurs à eau légère, une méthode d'équivalence basée sur les taux effectifs est utilisée. Du fait du développement de la puissance des unités de calcul, celle-ci peut être remplacée par la méthode des sous-groupes qui est plus précise, notamment avec une équation de ralentissement exact (ce qui n'est pas le cas pour la méthode d'équivalence). Issue des calculs pour réacteurs rapides, cette dernière présente de nombreux avantages tant sur le plan mathématique qu'informatique. Le but de ce mémoire est de présenter une validation aussi précise que possible à temps 0 ainsi qu'en évolution de la nouvelle méthode d'autoprotection pour les réacteurs thermiques. L'objectif in fine de ce travail est que ce document puisse servir de justification à toute personne désirant utiliser la méthode des sous-groupes ou les autres options présentées ci-dessous. Une fois validée, d'autres éléments sont étudiés afin de présenter une combinaison alliant rapidité d'exécution et précision des résultats. Les paramètres supplémentaires considérés sont greffés au schéma de calcul de réseau de type SHEM-MOC qui correspond à un calcul de flux basé sur la Méthode des Caractéristiques avec un découpage énergétique de type SHEM à 281 groupes. Tout d'abord, différentes bibliothèques de données nucléaires générées par le CEA sont évaluées. Ensuite, un maillage énergétique adapté pour la méthode des sous-groupes est choisi et comparé au SHEM281. D'autres éléments tels que la correction de l'anisotropie de la loi de choc et la modélisation spatiale du terme source dans le MOC sont étudiés. Un jeu de données DRAGON5 est aussi étudié et présenté des caractéristiques intéressantes. Un découpage à 295 groupes (et non 361 groupes comme choisi pour APOLLO2) est appliqué à la méthode d'autoprotection en sous-groupes développée dans le code. L'intérêt d'utiliser DRAGON5 est de permettre d'effectuer des validations qui ne sont pas possibles dans APOLLO2. En effet, avec DRAGON5, il est possible d'autoprotéger un profil de température et de choisir le MOC pour calculer le flux dans la partie autoprotection.  ABSTRACT: Resonance self-shielding calculations are an essential component of a deterministic lattice code calculation. Even if their aim is to correct the cross sections deviation, they introduce a non negligible error in evaluated parameters such as the flux. Untill now, French studies for light water reactors are based on effective reaction rates obtained using an equivalence in dilution technique. With the increase of computing capacities, this method starts to show its limits in precision and can be replaced by a subgroup method. Originally used for fast neutron reactor calculations, the subgroup method has many advantages such as using an exact slowing down equation. The aim of this thesis is to suggest a validation as precise as possible without burnup, and then with an isotopic depletion study for the subgroup method. In the end, users interested in implementing a subgroup method in their scheme for Pressurized Water Reactors can rely on this thesis to justify their modelization choices. Moreover, other parameters are validated to suggest a new reference scheme for fast execution and precise results. These new techniques are implemented in the French lattice scheme SHEM-MOC, composed of a Method Of Characteristics  ux calculation and a SHEM-like 281-energy group mesh. First, the libraries processed by the CEA are compared. Then, this thesis suggests the most suitable energetic discretization for a subgroup method. Finally, other techniques such as the representation of the anisotropy of the scattering sources and the spatial representation of the source in the MOC calculation are studied.A DRAGON5 scheme is also validated as it shows interesting elements: the DRAGON5 subgroup method is run with a 295-eenergy group mesh (compared to 361 groups for APOLLO2). There are two reasons to use this code. The first involves oering a new reference lattice scheme for Pressurized Water Reactors to DRAGON5 users. The second is to study parameters that are not available in APOLLO2 such as self-shielding in a temperature gradient and using a flux calculation based on MOC in the self-shielding part of the simulation.


identifier: Godefroy, V. (2014). Élaboration et validation d'une suite évolutive de modèles d'échangeurs géothermiques verticaux  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce mémoire détaille l'élaboration et la validation d'une suite évolutive de modèles d'échangeurs géothermiques verticaux dans l'environnement TRNSYS. Un nouveau modèle d'échangeur géothermique vertical tenant compte des phénomènes transitoires à l'intérieur du puits est d'abord présenté. Il s'agit d'un modèle quasi 3D, dans lequel le puits est découpé en tranches axiales successives, où chaque tranche est modélisée par l'approche des résistances et capacités thermiques (TRCM). Le modèle est d'abord détaillé pour un puits à un tube en U, puis il est adapté pour un puits à deux tubes en U avec deux circuits indépendants. Le modèle TRCM à un tube en U proposé est validé avec succès par comparaison avec d'autres modèles existants incluant un modèle numérique 3D détaillé, ainsi que par comparaison avec trois cas expérimentaux. Quatre modèles d'échangeurs géothermiques verticaux simples (un seul puits) ont été implémentés dans l'environnement TRNSYS sous la forme de TYPEs. Le premier est un modèle de puits à un tube en U, dont l'intérêt est essentiellement pédagogique : initiation aux concepts associés aux échangeurs géothermiques, et à l'utilisation d'un outil de simulation d'échangeurs géothermiques. Le second est un modèle d'échangeur géothermique à deux tubes en U, avec deux circuits indépendants. Le troisième, et le quatrième modèle correspondent respectivement aux modèles TRCM proposés à un tube en U, et à deux tubes en U. Dans un dernier volet, ces quatre modèles d'échangeurs simples sont adaptés à la modélisation d'échangeurs géothermiques multi-puits, conduisant à l'élaboration de quatre autres TYPEs. Ces modèles d'échangeur multi-puits, dans lesquels le positionnement spatial de chaque puits est possible, utilisent les g-functions générées par un préprocesseur pour calculer la réponse thermique du champ de puits à modéliser. Finalement, un exemple de simulation annuelle d'une communauté solaire est illustré dans ce mémoire, dans laquelle le stockage thermique saisonnier par puits géothermiques est modélisé par des TYPEs de la suite.  ABSTRACT: This thesis describes the development and the validation of a progressive suite of models for the simulation of geothermal heat exchangers in the TRNSYS environment. A new vertical geothermal heat exchanger model that accounts for transient behavior in the borehole is first presented. This is a quasi 3D model where the borehole is divided into successive layers. The cross-section of each layer is modeled by the ‘thermal resistance and capacity model' (TRCM) approach. It is first described for a single U-tube borehole and then adapted for a double U-tube borehole with two independent circuits. The proposed TRCM model for a single U-tube is then validated against other models including a fully discretized 3D model. It is also successfully compared to three experimental cases. Four models of simple vertical geothermal heat exchangers (single borehole) have been implemented as components (TYPEs) in the TRNSYS environment. The first is a single U-tube borehole model, whose interest is mainly pedagogical: introduction to concepts associated to geothermal heat exchangers and simulation tools for geothermal heat exchangers. The second is a double U-tube borehole with two independent circuits. The third and the fourth models correspond to the proposed TRCM models mentioned above for single and double U-tubes. In the last part, these four simple borehole models are adapted for modeling bore fields leading to the development of four other TYPEs. These bore field models use g-functions. g-functions are generated by a preprocessor to calculate the bore field thermal response factor for any given spatial positions of each borehole. Finally, an example of an annual simulation of a solar community is presented in this thesis, in which the borehole thermal energy storage system is modeled by the TYPEs of the suite.


identifier: Majdoub, G. (2014). Techniques d'optimisation de la navigation globale d'un fauteuil roulant motorisé intelligent  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un projet de réalisation d'un prototype de fauteuil roulant motorisé intelligent (FRMI) avait réuni depuis quelques années les efforts de chercheurs et d'étudiants en cycle supérieur de trois universités du Québec: Ecole Polytechnique, Université de McGill et Université de Montréal. Ces efforts ont abouti à un fauteuil équipé de capteurs et d'un ensemble de modules permettant l'automatisation de nombreuses tâches. Il est ainsi un cas particulier de robot mobile. Malgré l'état avancé du fauteuil, plusieurs perspectives d'améliorations restent ouvertes. En effet, les modules de navigation globale existants se basent sur un algorithme de cartographie et localisation simultanées qui n'utilise qu'un modèle de perception adapté aux seules données des télémètres laser et qui présente quelques défauts dont la faible performance des capteurs utilisés pour certains types d'obstacles : les vitres et les objets transparents notamment sont difficiles à détecter avec des capteurs optiques comme les télémètres lasers. Le premier objectif principal du projet serait alors de proposer une solution à ce problème en partant du module de SLAM utilisé, the GMapping algorithm. On se propose également de proposer une alternative à la stratégie de cartographie par SLAM qui impose l'exploration des environnements visités. Notre second objectif consiste alors à utiliser les plans architecturaux pour générer automatiquement des grilles d'occupation compatibles avec le système de navigation du fauteuil. Notre réalisation de ces objectifs est exposée à travers l'étude du module à optimiser, l'analyse de ses composants et la conception des algorithmes-solutions. La première solution consiste essentiellement à intégrer un composant mieux adapté aux obstacles transparents et qui permet un enrichissement en temps réel par les détections des sonars de la carte en cours de construction par le GMapping. D'un autre côté, une technique toute nouvelle de construction de cartes est implémentée et testée grâce à un algorithme qui analyse les calques du plan d'architecture au format DXF afin d'extraire les éléments intéressants pour la navigation. Les résultats d'enrichissement montrent des cartes plus complètes où les obstacles transparents figurent aux bons emplacements. Nous avons pu profiter de la capacité des sonars à détecter les objets transparents sans pour autant perdre les hautes performances des télémètres laser et sans altérer la construction en temps réel de la carte accompagnée de la localisation. D'autre part, nos grilles d'occupation générées automatiquement ont été intégrées et utilisées avec succès dans le système de navigation. Une cartographie rapide et nettement plus économique est désormais possible pour le FRMI à condition d'avoir un plan au format DXF du milieu à modéliser.  ABSTRACT: For the last few years, researchers and students of three universities of Quebec, École Polytechnique, Université de Montréal and McGill University, have been working on the creation of an Intelligent Powered Wheelchair (IPW). Thanks to their work, a wheelchair equipped with sensors and using a wide range of modules enabling the chair to do numerous automatic tasks became a reality. The IPW can therefore be considered as an example of a mobile robot. Many possible improvements still can be performed in spite of the very advanced state of the wheelchair. The global navigation is based on a simultaneous localization and mapping (SLAM) algorithm; the GMapping algorithm that uses a perception model conceived for lasers detections only and that is therefore under the required level of efficiency when mapping is held in environments containing transparent obstacles such as glass walls. Besides, the SLAM algorithm used is, as any other SLAM solution, based on a mapping strategy that imposes the environment exploration. Thus, our work's objectives are: First, to propose a solution to the transparent objects problem and second, to suggest a new alternative to the old exploration based strategy by exploiting blueprints to generate occupancy grid maps automatically. This report shows how we achieve these objectives through the study and analysis of the available SLAM algorithm and the conception of our solutions. In the first solution, we introduce a component that takes sonar detections as inputs and that draws in real time, based on a sonar perception model, the missing transparent objects on the GMapping map. In our second solution, a new technique makes use of an algorithm that analyses the layers of CAD blueprints given in a DXF file format in order to extract the important elements used for grids construction. Our algorithms proved to be efficient. In fact, we managed to get complete maps showing the transparent obstacles at the right spots. We managed then to make use of the sonar's capability to see transparent objects without causing the decrease of the GMapping performance in both mapping with laser data and localization. On the other hand, we managed to automatically build occupancy grid maps from blueprints. The built maps proved precise when used successfully in the wheeler's navigation system. We have now a faster and cheaper mapping solution for the IPW.


identifier: Taboubi, M. (2014). Indoor Localization Using Wi-Fi Signals  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

title: Indoor Localization Using Wi-Fi Signals

abstract: RÉSUMÉ: Plusieurs approches ont été développées pour localiser des appareils mobiles à l'intérieur de bâtiments d'une façon précise. Certaines donnent une précision de moins d'un mètre, mais elles nécessitent des infrastructures et du matériel spécifiques. D'autres utilisent une infrastructure qui est déjà déployée, mais donnent une position avec une précision inférieure. Dans ce mémoire, nous proposons plusieurs méthodes de positionnement basées sur les mesures de l'intensité du signal reçu d'une infrastructure Wi-Fi existant. Le but de ces méthodes de positionnement est de localiser le plus précisément possible l'emplacement du dispositif mobile utilisé. La première méthode de positionnement que nous proposons transforme la puissance du signal reçue en une entité appelée signature. Cette entité caractérise chaque emplacement de l'environnement où la localisation doit être effectuée. Pour localiser l'appareil mobile, la signature calculée est jumelée avec les signatures de référence les plus représentatives et qui sont déjà enregistrées dans une base de données. Dans ce mémoire, nous proposons deux approches pour produire les signatures de référence: une empirique et une théorique. La deuxième méthode de positionnement que nous proposons dans ce mémoire est de localiser les appareils mobiles en utilisant la différence entre les mesures de puissance de signaux reçus. On a appelé cette méthode la différence de puissances des signaux reçues (RSSD). Cette méthode consiste à convertir la différence de puissances des signaux reçues en des distances et d'utiliser ces distances pour estimer la position des appareils mobiles. Ensuite, nous décrivons les expériences qui nous ont conduits à développer la méthode de traitement du signal et les algorithmes de localisation. Les algorithmes et les méthodes proposés ont conduit à un système de localisation précis qui atteint 2 mètres de précision dans 90% des cas. Les résultats actuels des systèmes proposés montrent que les emplacements estimés sont précis (moins de 2 mètres) dans un environnement fermé en utilisant la méthode des signatures et une localisation précise dans les espaces ouverts en utilisant la méthode de la RSSD. Certains endroits critiques ont besoin de plus de collecte de données et plus d'informations sur l'environnement pour atteindre le même niveau de précision. Les résultats obtenus sont décrits et discutés à l'aide de cartes et de statistiques.  ABSTRACT: Several approaches have been developed to provide an accurate estimation of the position of mobile devices inside buildings. Some of them give a precision of less than one meter but they require special infrastructure and materials. Some others use an infrastructure that is already deployed but gives a position with lower precision. In this thesis, we propose several positioning methods based on the received signal strength (RSS) measurements of an existing Wi-Fi infrastructure. The aim of these positioning methods is to locate a mobile device as accurately as possible. The first method that we propose transforms the RSS to an entity called signature. This entity characterises each location of the environment where the localization should be performed. This computed signature is matched with the most representative reference signatures already recorded in a database in order to locate the mobile device. In this thesis, we propose two approaches to produce the reference signatures: an empirical and a theoretical one.  The second method that we propose in this thesis is about locating the mobile devices using the difference between the received signals strength measurements. We call this method the received signal strength difference (RSSD) method. We then describe the experiments that led us to develop the signal processing method and the localization algorithms. The algorithm proposed led to an accurate localization system that reaches 2 meters of accuracy in 90% of the cases. Current results of the proposed systems show that the estimated locations are accurate (less than 2 meters) in closed environments when using the fingerprinting method and in open spaces when using the RSSD method. Some critical locations need more collected data and more information about the environment to reach the same level of accuracy. The results obtained are described and discussed using maps and statistics.


identifier: Ghavidel Mehr, N. (2014). Highly Structured and Surface Modified Poly (e-Caprolactone) Scaffolds Derived from Co-Continuous Polymer Blends for Bone Tissue Engineering  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'utilisation d'échafaudages tridimensionnels poreux ensemencés avec des cellules ostéoprogénitrices, telles que les cellules souches mésenchymateuses humaines (CSM) pour la régénération des os, est devenue un outil prometteur pour l'ingénierie tissulaire osseuse. Les échafaudages dans l'ingénierie tissulaire osseuse agissent à titre de structure facilitant l'attachement, la migration, et la distribution des cellules hôtes impliquées dans le processus de réparation osseuse. Ces structures poreuses doivent être biocompatibles, biodégradables et doivent idéalement avoir une chimie de surface favorable, un niveau élevé d'interconnectivité des pores, des pores au diamètre favorable et finalement une distribution étroite de la taille des pores. Parmi une panoplie de matériaux synthétiques et naturels proposés pour l'ingénierie tissulaire osseuse, le poly(ε-caprolactone) (PCL) a été largement utilisé à cette fin grâce à sa biocompatibilité, sa basse immunogénicité, sa lente biodégradation et sa stabilité mécanique allant jusqu'à trois ans in vivo. Différentes techniques de fabrication ont été utilisées afin de produire des échafaudages pour l'ingénierie tissulaire osseuse, telles que le frittage, la coulée avec un solvant suivi du lessivage des particules, le moussage, et le prototypage rapide. Ces méthodes présentent habituellement de nombreux inconvénients comme l'utilisation de solvants toxiques, les limitations imposées par la forme de la phase de l'agent porogène, le niveau faible d'interconnectivité des pores, la température élevée du procédé, la large distribution de la taille des pores et les coûts élevés du traitement. Jusqu'à présent, une recherche complète sur les échafaudages utilisés en génie tissulaire ayant des pores de taille significativement différente et contrôlée de manière précise au niveau microscopique tout en considérant l'infiltration de l'échafaudage comme un paramètre déterminant n'a pas encore été faite. Des échafaudages en PCL ayant les propriétés mentionnées précédemment ont été fabriqués par un mélange à l'état fondu avec du poly(oxyde d'éthylène) (PEO) choisi comme phase porogène. La composition du mélange a été choisie pour avoir une morphologie co-continue. Un recuit statique et une extraction sélective du PEO, qui est hydrosoluble, ont été effectués sur les mélanges ainsi obtenus. Les pores générés par cette méthode se sont avérés être entièrement interconnectés une propriété qui n'a pas été perturbée par le recuit. Le niveau d'interconnectivité des pores a été mesuré indirectement en déterminant le pourcentage de continuité de la phase porogène suite à l'extraction. Afin d'étudier l'effet de la taille des pores sur l'infiltration dans l'échafaudage, des structures en PCL ayant des diamètres moyens de pores de 84, 116, 141, et 162 micromètres ont été produits en faisant varier la durée du recuit. Pour cela, une nouvelle analyse in vitro a été utilisée pour comparer l'infiltration à travers l'échafaudage par des billes de polystyrène de 10 micromètres de diamètre ayant la même taille que les cellules souches mésenchymateuses (CSM) humaines et celle par des CSMs humaines. Le niveau de pénétration des billes à travers l'échafaudage a montré une augmentation linéaire avec la hausse de la taille de pores, tandis que les CSMs ne se sont infiltrées que dans les pores ayant une taille de 141 et 162  micromètres. Pour les tailles de pores inférieures, les cellules se sont agrégées et ont adhéré près de la zone d'ensemencement avec une basse infiltration dans la structure poreuse. Utiliser des billes sphériques non réactives a permis d'obtenir un point de référence pour les systèmes non-agrégés qui pourraient être considérés comme le scénario idéal pour l'infiltration. Ces résultats ont indiqué que les billes imitent étroitement les cellules pour des tailles de pores égales ou supérieures à 141 micromètres. Les tests de cytotoxicité utilisant des fibroblastes de souris L929 ont démontré que les échafaudages ne sont pas cytotoxiques et qu'ils n'induisent pas de nécrose lors du contact avec les cellules. Cependant, une légère diminution de l'activité métabolique des cellules a été observée, elle peut être attribuée à la surface hydrophobe du PCL. Par conséquent, la modification de la surface des échafaudages en PCL avec un agent cytocompatible et hydrophile peut fortement augmenter l'adhésion, la propagation et la différenciation des CSMs en ostéoblastes. Le chitosane, un composant important de la famille de polysaccharides, a été utilisé pour modifier la chimie des échafaudages de PCL en apportant l'hydrophilicité sur la surface. Le dépôt d'une couche homogène de chitosane sur la surface des échafaudages de PCL a été effectué à l'aide d'un autoassemblage couche-par-couche (LbL) de poly(chlorure de dialyldemethylammunium) (PDADMAC) comme polyélectrolyte cationique et de poly(styrenesulfonate de sodium 4) (PSS) comme polyélectrolyte anionique. La dernière couche de PSS négativement chargée permet l'addition du chitosane positivement chargé comme couche externe. Les mesures gravimétriques ont indiqué qu'une addition allant jusqu'à 3 couches a abouti à la formation de chaînes interpénétrées de polyélectrolyte qui ne permettent pas la formation de couches distinctes de charges positives ou négatives clairement définies. En augmentant le nombre de couches de polyélectrolytes chargés alternativement, des couches distinctes et mieux définies ont été formées. Les analyses détaillées des rapports d'O/C, de N/C et de S/C par la spectroscopie de photoélectrons induits par rayons X (XPS), ont confirmé la présence dominante de la molécule de PSS à la surface, étant la dernière couche de polyélectrolyte déposée et en plus grand nombre de dépôts (n=8), qui pourra être plus tard la surface de déposition du chitosane. Il a alors été montré que la méthode de dépôt LbL a conduit à l'obtention d'une couche homogène de chitosane pour toutes les profondeurs de cavités dans les échafaudages. Cela confirme que la méthode de dépôt LbL est une meilleure stratégie que la méthode de revêtement par immersion. L'analyse au microscope électronique à balayage (MEB) a montré une surface rugueuse de chitosane sur les substrats 2D de PCL, dont l'épaisseur totale s'étend de 550-700 nanomètres. Ces résultats ont permis de vérifier que l'utilisation de l'autoassemblage couche-par-couche de polyélectrolytes suivie de l'addition de chitosane comme couche externe, a conduit à une modification stable et bien homogène de la surface. De plus, cette méthode a le potentiel de transformer un matériel classique en polymère synthétique avec des pores complètement interconnectés en un matériel ayant des caractéristiques de surface identiques à celles du chitosane. Le potentiel ostéogénique des échafaudages de PCL avec un traitement de surface par chitosane utilisant la méthode de dépôt LbL n'a jamais été évalué. Cette partie de la thèse considère l'hypothèse que l'ostéogenèse in vitro pourrait être réalisée dans les échafaudages 3D de PCL avec des pores interconnectés ayant un diamètre moyen de 84 et 141 micromètres, et que la biominéralisation pourrait être améliorée quand les pores sont revêtus avec du chitosane par l'approche LbL. Afin de réduire au minimum les erreurs provenant des inefficacités de l'infiltration cellulaire, le protocole le plus performant d'ensemencement des cellules a du être établi. Parmi l'ensemencement classique des cellules à 37 °C, l'ensemencement en deux étapes à 37°C, et l'ensemencement à froid à 4°C, dans un milieu contenant 2% de FBS (Fetal Bovine Serum), le dernier a montré la plus grande population de CSMs fraîchement trypsinisées dans toutes les profondeurs des échafaudages de 1 mm d'épaisseur. Les CSMs ensemencées dans des échafaudages de PCL, avec ou sans revêtement de chitosane par LbL, ont tout d'abord été mis en culture dans un milieu de prolifération pendant 10 jours, puis cultivées 21 jours dans un milieu ostéogénique. Au jour 2, les CSMs ont formé des monocouches creuses avec des morphologies cellulaires arrondies ayant de minces filopodes ancrés à la surface non modifiée du PCL, contrairement aux cellules étalées sur la surface des pores de PCL revêtue avec le chitosane. Au jour 10, les cellules ont proliféré formant une couche externe sur PCL et ont migré sur les réseaux de collagène sécrétés qui remplissent les espaces entre les pores dans tous les échafaudages, par contre, elles n'adhèrent qu'à des surfaces de pores revêtues par le chitosane. Au jour 31, des quantités équivalentes de tissu ont été observées dans les échafaudages avec et sans chitosane, cependant les dépôts de tissu ont été plus importants dans les pores externes que dans les pores internes. En outre, une plus grande quantité de matrice biominéralisée a été observée dans les pores internes des échantillons de 84 micromètres ayant un revêtement de chitosane. Dans les échantillons de PCL pur, le dépôt de minéraux a été observé de façon aléatoire dans les sections supérieures très colonisées et dans les pores internes de 141 micromètres de diamètre. Les CSMs cultivées sur la surface de contrôle 2D avec un revêtement de chitosane ont montré une coloration plus prononcée de la phosphatase alcaline, demeurant une minéralisation négligeable. Cette étude prouve que les CSMs survivent, se prolifèrent, et adhérent plutôt à la matrice fibreuse qu'à la surface non-modifiée des pores du PCL. De plus, les échafaudages revêtus par LbL-chitosane présentent plus de biominéralisation en 3D dans les pores internes de 84 micromètres; une réponse cellulaire qui peut être liée à la courbure de la surface ainsi qu'à l'amélioration de l'hydrophilicité de la surface.  ABSTRACT: The application of porous three-dimensional scaffolds seeded with osteoprogenitor cells such as human mesenchymal stem cells (hBMSC) for bone regeneration has become a promising tool for in vitro bone tissue engineering. Scaffolds in bone tissue engineering act as a supportive bridge that facilitates the migration, attachment and distribution of the host cells involved in bone ingrowth. These porous structures should be biocompatible, biodegradable and ideally exhibit a favorable surface chemistry, controlled interconnected pores, pore sizes and narrow pore size distributions. Among a variety of synthetic and natural materials suggested for bone tissue engineering, poly(ε-caprolactone) (PCL) has been widely used for this purpose, owing to its biocompatibility, low immunogenicity, slow biodegradation and mechanical stability for up to three years in vivo. Various fabrication techniques have been used for the production of bone tissue engineering scaffolds, such as sintering, solvent casting and particulate leaching, gas foaming and rapid prototyping. These methods are normally associated with numerous drawbacks such as the use of toxic solvents, limitations imposed by the shape of the porogen phase, low levels of pore interconnectivity, high processing temperatures, large pore size distributions and high processing costs. To date, a thorough investigation of tissue engineering scaffolds of significantly different and highly controlled pore sizes at the microscopic level including scaffold infiltration as a crucial parameter has not been done. PCL scaffolds with the features mentioned above have been fabricated by melt blending of PCL with poly(ethylene oxide) (PEO) at co-continuous composition followed by static annealing of the blends and selective extraction of water soluble PEO as the porogen phase. The pores generated by this method were proved to be fully interconnected- a property which was not disrupted by annealing. The level of pore interconnectivity was measured indirectly by determining the continuity % of the porogen phase post-extraction. PCL scaffolds with 84, 116, 141, and 162 μm average diameter pore sizes have been generated by varying the annealing time to investigate the effect of pore size on the scaffold infiltration. For this purpose, a novel in vitro assay was used to compare scaffold infiltration by 10-micron diameter polystyrene beads and trypsinized human bone marrow stromal cells (hBMSCs). Beads showed a linear increase in the extent of scaffold infiltration with increasing pore size. BMSCs infiltrated the 162 and 141 μm pore samples, below which the cells aggregated and adhered near the seeding area with low infiltration into the porous device. Using non-interacting spherical beads provides a base-line for non-aggregated systems which could be considered as the ideal infiltration scenario. These results revealed that the beads closely mimic the cells at pore sizes equal and higher than 141 μm. Cytotoxicity studies using L929 mouse fibroblasts demonstrated that the scaffolds are not cytotoxic and do not induce necrosis upon contact with the cells. However, a slight decrease in the metabolic activity of the cells was observed which was attributed to the hydrophobic surface of PCL. Hence, the surface modification of PCL scaffolds with a hydrophilic cytocompatible agent could potentially enhance cell attachment, spreading and differentiation of hBMSCs into osteoblasts. Chitosan, an important member of the polysaccharide family was used to alter the chemistry of PCL scaffolds and bring hydrophilicity to the surface. The deposition of a homogeneous chitosan layer on the surface of the PCL scaffolds was carried out using a Layer-by-Layer (LbL) self-assembly of poly(dialyldemethylammunium chloride) (PDADMAC) as cationic and poly(sodium 4-styrenesulfonate) (PSS) as anionic polyelectrolytes. The final negatively charged PSS layer allows for the addition of the positively charged chitosan as the outermost layer. Gravimetric measurements revealed that the addition of up to 3 layers leads to the formation of interdiffusing polyelectrolyte layers which do not allow for the formation of defined positive or negative charges. By increasing the number of polyelectrolyte layers with alternating charges, more well-defined layers are formed. Detailed analyses of O/C, N/C and S/C ratios by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) show that the PSS molecule dominates the surface as the last deposited polyelectrolyte layer at higher number of depositions (n=8), which can later be the surface for the deposition of chitosan. The LbL deposition of the chitosan layer on the LbL coating was then shown to be locally homogeneous at different depths within the scaffolds which also clarified that the LbL method is superior to the dip coating strategy. SEM analysis showed that there is a rough chitosan surface on the 2D solid PCL constructs whose thickness ranges from 550-700 nanometers. These results demonstrate that the application of LbL self-assembly of polyelectrolytes followed by the addition of chitosan as the outermost layer provides a route towards stable and homogeneous surface modification and has the potential to transform a classic fully interconnected porous synthetic polymer material to one with essentially complete chitosan-like surface characteristics. The osteogenic potential of PCL scaffolds with a chitosan coating using Layer-by-Layer (LbL) surface modification has never been evaluated before. This part of the study tests the hypothesis that in vitro osteogenesis can be achieved in 3D PCL scaffolds with fully interconnected pores of 84 μm or 141 μm average diameter and biomineralization can be enhanced when pore surfaces are coated with chitosan adsorbed to LbL deposited polyelectrolytes. In order to reduce the errors originating from cell infiltration inefficiencies, the most competent cell seeding protocol has to be defined. Among classical cell seeding at 37°C, 2-step seeding at 37°C and cold seeding at 4°C in a medium containing 2% FBS, the last strategy proved to yield the best population of  freshly trypsinized hBMSCs at all depths of the 1mm-thick scaffolds. hBMSCs cold-seeded in PCL scaffolds with or without an LbL-chitosan coating were cultured for 10 days in proliferation medium, followed by 21 days in osteogenic medium. At day 2, MSCs formed sparse monolayers with rounded cell morphologies with thin filopodia anchored to the unmodified PCL, as compared to more spread cells on chitosan-coated pore surfaces. At day 10, cells proliferated as an external layer, and migrated onto secreted collagen networks that filled the interpore spaces of all scaffolds, but only adhered to chitosan-coated pore surfaces. At day 31, similar levels of tissue formed in scaffolds with and without chitosan, but more tissue was deposited in the outer pores than the inner pores. Furthermore, more biomineralized matrix was observed in the inner 84 μm chitosan-coated pores (p<0.05). In the PCL-only samples, haphazard mineral deposits were observed in highly colonized outer layers and in the inner 141 μm pores. MSCs cultured on chitosan-coated 2D control surfaces show higher alkaline phosphatase staining but negligible mineralization. This study showed that hBMSCs survive, proliferate, and attach to fibrotic matrix rather than the PCL-only scaffold pore surfaces. LbL-chitosan-coated scaffolds showed more biomineralization in 3D inner 84 μm pores, a cell response that may be related to surface curvature in addition to improved surface hydrophilicity.


identifier: Joyal, M.-A. (2014). Étude de solutions pour la mise en œuvre d'une antenne à réflecteur bi-grille en polarisation circulaire  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les antennes à réflecteur bi-grille (dual-gridded reflector ou DGR) sont utilisées couramment sur  les satellites. Elles sont faites de deux grilles paraboliques cascadées, tel un empilement de soucoupes, et constituent ainsi deux antennes en une. Les deux grilles fonctionnent dans des polarisations linéaires orthogonales et chacune est alimentée par sa propre antenne cornet. Elles occupent donc moins d'espace sur le satellite en plus d'offrir une excellente isolation entre les deux zones de couverture adjacentes. Le désavantage avec ces antennes DGR est qu'elles ne fonctionnent que pour la polarisation linéaire (verticale et horizontale). Dans ce projet, deux avenues permettant de concevoir une antenne bi-grille pour la polarisation circulaire (gauche et droite) sont explorées. La première est l'utilisation de polariseurs circulaires fixés sur la structure d'un DGR conventionnel. Ces polariseurs sont des surfaces qui font la conversion entre la polarisation linéaire et la polarisation circulaire. L'autre solution est l'utilisation de deux surfaces à sélection de polarisation circulaire (circular polarization selective surface ou CPSS) comme réflecteurs, au lieu des grilles orthogonales. Ces CPSS sont des structures qui réfléchissent les ondes incidentes polarisées circulairement selon un sens de rotation (circulaire gauche par exemple) et qui sont transparentes aux ondes polarisées selon l'autre sens de rotation (circulaire droite). De ces deux solutions, la première est celle sur laquelle la majorité de ce travail repose. Ainsi, une nouvelle méthode de conception de polariseurs circulaires est proposée. Celle-ci permet une plus grande flexibilité dans la conception que les techniques connues jusqu'à maintenant. La méthode est ensuite modifiée pour faire la conception de polariseurs optimisés pour des incidences obliques, ce qui est nécessaire dans l'application du réflecteur bi-grille. Quant à la solution utilisant les CPSS, elle n'est que brièvement explorée. Un nouveau type de CPSS, conçu avec une cascade de polariseurs circulaires et linéaire y est proposé. Ce CPSS cascadé démontre une plus grande largeur de bande que celles obtenues avec les structures résonantes connues jusqu'à maintenant. Les limites de cette structure sont aussi évaluées dans un contexte d'utilisation sur un DGR en polarisation circulaire. Finalement, comme preuve de concept d'une antenne bi-grille en polarisation circulaire, deux prototypes ont été fabriqués et validés expérimentalement. Le premier consiste en un polariseur circulaire et une grille métallique fixés sur un petit réflecteur. Le deuxième prototype est semblable, mais la grille est remplacée par un réseau réflecteur (reflectarray) qui joue le même rôle, mais qui augmente le gain dans la direction du lobe principal. Avec ce dernier prototype, les spécifications exigées par l'industrie des satellites sont respectées sur la bande 18-20 GHz, mais seulement pour une très faible variation de l'angle d'élévation.  ABSTRACT: Dual-gridded reflector (DGR) antennas are widely used on satellites. They consist of a cascade of two parabolic grids operating in orthogonal linear polarizations, each one having its own feed. Therefore, DGRs are actually two antennas in one structure, so they use less space on the satellite. Moreover, they provide excellent isolation between adjacent coverage areas. The disadvantage with these DGRs is that they work only in linear polarization (vertical and horizontal). In this thesis, two different solutions to design a circularly polarized (right and left hand circular polarizations) DGR are explored. The first one consists in the use of circular polarizers that are fixed on a conventional DGR. Those polarizers are surfaces that make the conversion between linear and circular polarizations. The other solution uses circular polarization selective surfaces (CPSSs) as reflectors on the DGR instead of the orthogonal grids. These CPSSs are structures that are transparent to one sense of circular polarization (say right hand circular polarization for instance), but that reflect the other sense (left hand circular polarization). The major part of this work is based on the first solution. A new circular polarizer design method is proposed. It allows a greater flexibility in the polarizer design than existing designs. The proposed technique is also modified in order to implement polarizers optimized for an oblique incidence, which is required for DGR applications. The second solution using CPSSs is only briefly explored. A new type of CPSS, implemented with a cascade of circular and linear polarizers, is proposed. This cascade CPSS has shown a broader bandwidth than those obtained with the resonant structures known so far. Also, the limitations of CPSSs are identified as to their use on DGRs. Finally, as a proof of concept, two simple prototypes of circularly polarized DGRs are presented. The first design is implemented with a circular polarizer and a metallic grid attached to a small reflector. The second prototype is similar, but the planar grid is replaced by a reflectarray that plays the same role, but increases the gain in the direction of the main beam. The satellite industry requirements between 18-20 GHz are respected with this latter implementation, but only for a very low variation in the elevation angle.


identifier: Thiaw, A. (2014). Conception et optimisation de parapets préfabriqués avec trottoir intégré en béton renforcé de fibres pour les ponts  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les parapets de pont assurent la sécurité des usagers en redirigeant les véhicules errants, tout en limitant les blessures subies par les occupants du véhicule. À cause de leur grande résistance et de leur capacité de retenir les véhicules, les parapets en béton sont les plus largement répandus. Cependant, il existe des préoccupations grandissantes quant à leur durabilité. En effet, lors de la coulée des parapets et des trottoirs, les restreintes imposées par les éléments sous-jacents empêchent le retrait libre du béton, générant ainsi des contraintes dans la matrice encore faible du béton au jeune âge. Le retrait restreint, les gradients thermiques et les vibrations induites par la circulation sont à l'origine de réseaux de fissures verticales souvent observables quelques heures seulement après la coulée des éléments. En conséquence, le béton et les armatures sont prématurément exposés à la pénétration d'eau, d'agents agressifs, et aux cycles de gel-dégel. Il est ainsi fréquent que les propriétaires d'ouvrages aient à réparer ou à remplacer les parapets avant que leur durée de vie utile ne soit atteinte. C'est dans ce contexte que l'École Polytechnique de Montréal, des propriétaires d'ouvrage (la Ville de Montréal et la Société des Ponts Jacques Cartier et Champlain Incorporés) et des entreprises oeuvrant dans la construction en béton (Béton Brunet et Euclid) se sont orientés vers la conception de parapets préfabriqués avec trottoir intégré. Le recours aux parapets préfabriqués permet de contourner la fissuration précoce de même que les longs délais associés à la construction en chantier. L'utilisation de bétons renforcés de fibres (BRF), dont les propriétés mécaniques et les résistances sont supérieures à celles des bétons ordinaires (BO), permet d'envisager un comportement mécanique et une durabilité accrue.  ABSTRACT: Bridge barriers provide safety for vehicle passengers by containing and redirecting errant vehicles. Most Canadian bridge barriers are cast-in-place concrete barriers. Concrete barriers deliver great resistance while being efficient for keeping vehicles in the roadway than other types of barriers. While structural adequacy is established for the cast-in-place barriers, there are growing durability concerns associated to their construction sequence. Early-age cracks associated to restrained shrinkage, thermal gradients and traffic vibrations are frequently observed, exposing the young concrete matrix and reinforcement to water penetration. This premature degradation is magnified by the severe freeze-thaw cycles and exposition to the high concentration of chlorides found in the de-icing salts spread on bridge surface. Many barriers require unexpected, and costly premature repairs or replacements. Furthermore, on-site installations of formwork and reinforcement, concrete casting and curing period are time-consuming sequences. Precast barriers can adequately address the aforementioned challenges. Extensive research has been carried at Polytechnique Montreal to develop precast High Performance Fiber Reinforced Concretes (HPFRC) barriers. Restraints-free shrinkage, and curing of concrete in a controlled environment eliminates early-age cracking issues, while the shorter delays associated to on-site installation time of precast barriers significantly accelerates bridge construction and reparation. Finally, the higher durability properties exhibited by HPFRC will subsequently enhance the barriers' lifespan.