identifier: Deslauriers, S. (2017). Développement d'un outil de calibration automatique pour tout modèle de rivière basé sur le logiciel SRH-2D  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les modèles numériques de rivière sont largement utilisés dans de multiples domaines de l'ingénierie. Au cours des années, le perfectionnement de ces modèles numériques les a rendus indispensables pour répondre à des questions de prévisions, de prédictions et de designs. Ils servent notamment à adresser des situations qui ne peuvent pas être étudiées directement ou à étudier des problèmes trop complexes pour être approchées par des simplifications. Ces modèles gagnent en complexité par l'intégration continue de modules supplémentaires permettant d'augmenter la capacité et la précision des simulations. On y compte également de plus en plus d'outils de représentation graphique des résultats pour le bienfait visuel de l'utilisateur. Cependant, peu est fait pour aider dans la calibration de ces modèles qui comptent de plus en plus de paramètres d'ajustement.  ABSTRACT: River models are of a variety of usage for engineers in many fields. Over the years, the improvement of these numerical models made them essential to assess matters of prediction, prevision and design. These models are relied upon to tackle problems that cannot be studied directly or that are too complex to be appraised with simplified approached. The continuous integration of additional tools to the models has made them capable of simulating more with a higher degree of precision but with a higher degree of complexity. Countless additions are also made within the graphical interface and in the graphical presentation of the results. However, not much is done to assist the user in the calibration.


identifier: Panerati, J. (2017). Adaptive Computing Systems for Aerospace  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: En raison de leur complexité croissante, les systèmes informatiques modernes nécessitent de nouvelles méthodologies permettant d'automatiser leur conception et d'améliorer leurs performances. L'espace, en particulier, constitue un environnement très défavorable au maintien de la performance de ces systèmes : sans protection des rayonnements ionisants et des particules, l'électronique basée sur CMOS peut subir des erreurs transitoires, une dégradation des performances et une usure accélérée causant ultimement une défaillance du système. Les approches traditionnellement adoptees pour garantir la fiabilité du système et prolonger sa durée de vie sont basées sur la redondance, généralement établie durant la conception. En revanche, ces solutions sont coûteuses et parfois inefficaces, puisqu'elles augmentent la taille et la complexité du système, l'exposant à des risques plus élevés de surchauffe et d'erreurs. Les conséquences de ces limites sont d'autant plus importantes lorsqu'elles s'appliquent aux systèmes critiques (e.g., contraintes par le temps ou dont l'accès est limité) qui doivent être en mesure de prendre des décisions sans intervention humaine. Sur la base de ces besoins et limites, le développement en aérospatial de systèmes informatiques avec capacités adaptatives peut être considéré comme la solution la plus appropriée pour les dispositifs intégrés à haute performance. L'informatique auto-adaptative offre un potentiel sans égal pour assurer la création d'une génération d'ordinateurs plus intelligents et fiables. Qui plus est, elle répond aux besoins modernes de concevoir et programmer des systèmes informatiques capables de répondre à des objectifs en conflit. En nous inspirant des domaines de l'intelligence artificielle et des systèmes reconfigurables, nous aspirons à développer des systèmes informatiques auto-adaptatifs pour l'aérospatiale qui répondent aux enjeux et besoins actuels. Notre objectif est d'améliorer l'efficacité de ces systèmes, leur tolerance aux pannes et leur capacité de calcul. Afin d'atteindre cet objectif, une analyse expérimentale et comparative des algorithmes les plus populaires pour l'exploration multi-objectifs de l'espace de conception est d'abord effectuée. Les algorithmes ont été recueillis suite à une revue de la plus récente littérature et comprennent des méthodes heuristiques, évolutives et statistiques. L'analyse et la comparaison de ceux-ci permettent de cerner les forces et limites de chacun et d'ainsi définir des lignes directrices favorisant un choix optimal d'algorithmes d'exploration. Pour la création d'un système d'optimisation autonome—permettant le compromis entre plusieurs objectifs—nous exploitons les capacités des modèles graphiques probabilistes. Nous introduisons une méthodologie basée sur les modèles de Markov cachés dynamiques, laquelle permet d'équilibrer la disponibilité et la durée de vie d'un système multiprocesseur. Ceci est obtenu en estimant l'occurrence des erreurs permanentes parmi les erreurs transitoires et en migrant dynamiquement le calcul sur les ressources supplémentaires en cas de défaillance. La nature dynamique du modèle rend celui-ci adaptable à différents profils de mission et taux d'erreur. Les résultats montrent que nous sommes en mesure de prolonger la durée de vie du système tout en conservant une disponibilité proche du cas idéal. En raison des contraintes de temps rigoureuses imposées par les systèmes aérospatiaux, nous étudions aussi l'optimisation de la tolérance aux pannes en présence d'exigences d'exécution en temps réel. Nous proposons une méthodologie pour améliorer la fiabilité du calcul en présence d'erreurs transitoires pour les tâches en temps réel d'un système multiprocesseur homogène avec des capacités de réglage de tension et de fréquence. Dans ce cadre, nous définissons un nouveau compromis probabiliste entre la consommation d'énergie et la tolérance aux erreurs. Comme nous reconnaissons que la résilience est une propriété d'intérêt omniprésente (par exemple, pour la conception et l'analyse de systems complexes génériques), nous adaptons une définition formelle de celle-ci à un cadre probabiliste dérivé à nouveau de modèles de Markov cachés. Ce cadre nous permet de modéliser de façon réaliste l'évolution stochastique et l'observabilité partielle des phénomènes du monde réel. Nous proposons un algorithme permettant le calcul exact efficace de l'étape essentielle d'inférence laquelle est requise pour vérifier des propriétés génériques. Pour démontrer la flexibilité de cette approche, nous la validons, entre autres, dans le contexte d'un système informatisé reconfigurable pour l'aérospatiale. Enfin, nous étendons la portée de nos recherches vers la robotique et les systèmes multi-agents, deux sujets dont la popularité est croissante en exploration spatiale. Nous abordons le problème de l'évaluation et de l'entretien de la connectivité dans le context distribué et auto-adaptatif de la robotique en essaim. Nous examinons les limites des solutions existantes et proposons une nouvelle méthodologie pour créer des géométries complexes connectées gérant plusieurs tâches simultanément. Des contributions additionnelles dans plusieurs domaines sont résumés dans les annexes, nommément : (i) la conception de CubeSats, (ii) la modélisation des rayonnements spatiaux pour l'injection d'erreur dans FPGA et (iii) l'analyse temporelle probabiliste pour les systèmes en temps réel. À notre avis, cette recherche constitue un tremplin utile vers la création d'une nouvelle génération de systèmes informatiques qui exécutent leurs tâches d'une façon autonome et fiable, favorisant une exploration spatiale plus simple et moins coûteuse.  ABSTRACT: Today's computer systems are growing more and more complex at a pace that requires the development of novel and more effective methodologies to automate their design.  Space, in particular, represents a challenging environment: without protection from ionizing and particle radiation, CMOS-based electronics are subject to transients faults, performance degradation, accelerated wear, and, ultimately, system failure.  Traditional approaches adopted to guarantee reliability and extended lifetime are based on redundancy that is established at design-time.  These solutions are expensive and sometimes inefficient, as they increase the complexity and size of a system, exposing it to higher risks of overheating and incurring in radiation-induced errors.  Moreover, critical systems---e.g., time-constrained ones and those where access is limited---must be able to cope with pivotal situations without relying on human intervention. Hence, the emerging interest in computer systems with adaptive capabilities as the most suitable solution for novel high-performance embedded devices for aerospace. Self-adaptive computing carries unmatched potential and great promises for the creation of a new generation of smart, more reliable computers, and it addresses the challenge of designing and programming modern and future computer systems that must meet conflicting goals.  Drawing from the fields of artificial intelligence and reconfigurable systems, we aim at developing self-adaptive computer systems for aerospace.  Our goal is to improve their efficiency, fault-tolerance, and computational capabilities. The first step in this research is the experimental analysis of the most popular multi-objective design-space exploration algorithms for high-level design.  These algorithms were collected from the recent literature and include heuristic, evolutionary, and statistical methods.  Their comparison provides insights that we use to define guidelines for the choice of the most appropriate optimization algorithms, given the features of the design space. For the creation of a self-managing optimization framework---enabling the adaptive trade-off of multiple objectives---we leverage the tools of probabilistic graphical models.  We introduce a mechanism based on dynamic hidden Markov models that balances the availability and lifetime of multiprocessor systems.  This is achieved by estimating the occurrence of permanent faults amid transient faults, and by dynamically migrating the computation on excess resources, when failure occurs.  The dynamic nature of the model makes it adjustable to different mission profiles and fault rates.  The results show that we are able to lead systems to extended lifetimes, while keeping their availability close to ideal. On account of the stringent timing constraints imposed by aerospace systems, we then investigate the optimization of fault-tolerance under real-time requirements.  We propose a methodology to improve the reliability of computation in the presence of transient errors when considering the mapping of real-time tasks on a homogeneous multiprocessor system with voltage and frequency scaling capabilities.  In this framework, we take advantage of probability theory to define a novel trade-off between power consumption and fault-tolerance. As we recognize that resilience is a pervasive property of interest (e.g., for the design and analysis of generic complex systems), we adapt a formal definition of it to one more probabilistic framework derived from hidden Markov models.  This allows us to realistically model the stochastic evolution and partial observability of complex real-world environments.  Within this framework, we propose an efficient algorithm for the exact computation of the essential inference step required to construct generic property checking.  To demonstrate the flexibility of this approach, we validate it in the context, among others, of a self-aware, reconfigurable computing system for aerospace. Finally, we move the scope of our research towards robotics and multi-agent systems: a topic of thriving popularity for space exploration.  We tackle the problem of connectivity assessment and maintenance in the distributed and self-adaptive context of swarm robotics.  We review the limitations of existing solutions and propose a novel methodology to create connected complex geometries for multiple task coverage. Additional contributions in the areas of (i) CubeSat design, (ii) the modelling of space radiation for FPGA fault-injection, and (iii) probabilistic timing analysis for real-time systems are summarized in the appendices.  In the author's opinion, this research provides a number of useful stepping stones for the creation of a new generation of computing systems that autonomously---and reliably---perform their tasks for longer periods of time, fostering simpler and cheaper space exploration.


identifier: Berrais, A. (2017). Contribution des connaissances a priori dans le pronostic du risque de défaillance des systèmes en exploitation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La problématique de recherche concerne le Pronostic du risque de défaillance des systèmes en exploitation hautement fiables. Ces systèmes sont soumis à des programmes d'inspection et d'intervention réglementaires qui assurent leur sécurité durant leurs périodes de vie utile. Ces systèmes sont assujettis à très peu d'évènements de défaillances et de défauts de fonctionnement. Le défi des experts en maintenance est de pouvoir capitaliser sur les connaissances acquises suite aux diagnostics des causes à l'origine des défaillances et des défauts de fonctionnement de ces systèmes d'une période à l'autre afin d'établir un pronostic valable de leurs risques de défaillance. Pour ce faire, trois scénarios de modélisation des avis a priori sur le risque de défaillance sont proposés et analysés. Scénario 1 : une distribution a priori constante d'une période d'exploitation à une autre, ne tenant pas compte des évènements récents ; Scénario 2 : une distribution a priori à mémoire courte, tenant compte des événements récents au cours de la dernière période d'observation ; Scénario 3 : une distribution à mémoire cumulative qui tient compte de tous les évènements durant toutes les périodes d'observation antérieures. À l'aide de l'inférence bayésienne, ces avis a priori sont conjugués avec les données de défaillance afin d'établir le risque de défaillance a posteriori. Ce risque permet ensuite d'établir un pronostic du risque de défaillance tout au long de la durée de vie d'un système. Une étude comparative de ces différents scénarios est réalisée afin d'évaluer la contribution de chacun des a priori dans la précision de pronostic du risque de défaillance. Deux modèles de risque de défaillance sont étudiés : le modèle binomial qui caractérise la probabilité de défaillance d'un système et le modèle de Poisson qui caractérise le taux de défaillance. Le Deviation Information Criterion (DIC), le p-value Bayésien et le test de Friedman sont utilisés comme critères de validation et d'analyse des scénarios proposés. Deux échantillons de données de défaillance et de défauts de fonctionnement se rapportant à l'exploitation d'une flotte de moteurs d'aéronefs et une autre de turbines à gaz sont utilisés en guise d'illustration.  ABSTRACT: The research problem is about dependable operating systems failure risk prognosis. These systems are monitored and inspected, on a regular basis, in order to insure their safety during their useful life. They are also subject to rare failure and fault events. This is challenging for the maintenance experts, since they have to be able to capitalize on the acquired knowledge during the diagnosis of failure and faults causes from one period of time to another. As a consequence, a valid failure risk prognosis is determined for each period of time. For this purpose, three scenarios for modeling a prior opinions on the risk of failure are proposed and analyzed. The first a priori remains the same for all the operating periods of time, thus, not taking into account recent events. The second a priori is a short memory a priori,that takes into account the last period events. Finally, the third a priori is cumulative and considers all the events that took place during all previous periods. Thanks to the Bayesian inference, these a priori opinions are conjugated with failure data so as to establish an a posteriori failure risk, which enables us to establish a prognosis of failure risk throughout the useful life of an equipment. A comparative study of these different scenarios is carried out in order to evaluate the contribution of each of the a priori in the precision of the prognosis of a system failure risk. Two models of failure risk are considered: the binomial model which characterizes the probability of failure of a system, and the Poisson model which characterizes the rate of failures. The Deviation Information Criterion (DIC), the Bayesian p-value and the Friedman test are used as techniques to validate and analyze the proposed scenarios. Two databases relating to the operation of a fleet of aircraft engines and gas turbines are used for illustration purposes.


identifier: Gonzalez Cortes, A. F. (2017). Prévention de risques en santé et sécurité du travail chez les chauffeurs-livreurs dans une compagnie œuvrant dans le secteur des gaz sous pression  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis plusieurs années, l'industrie du transport continue à rapporter un grand nombre d'accidents du travail représentant des coûts importants pour les entreprises et la société. Nonobstant le fait que la conduite et les accidents de la route ont été largement étudiés, les activités hors conduite comme le chargement et le déchargement comportent de nombreux risques qui demeurent difficilement appréciables. Or, le contexte sur lequel les accidents surviennent n'est pas généralement précisé dans la littérature, puisqu'il faut considérer l'ensemble des éléments qui interviennent dans la situation de travail et la sous-déclaration des incidents ayant lieu pendant les activités hors conduite entrave la compréhension de facteurs de risque sur lesquels on pourrait intervenir efficacement. L'objectif de cette étude exploratoire était d'étudier les facteurs de risque auxquels les chauffeurs-livreurs de gaz sous pression et de produits de soudage sont exposés chez une entreprise de production et de transport de gaz sous pression. Une méthode de cueillette de données a été développée s'appuyant sur une revue de littérature et l'analyse des rapports de déclaration des accidents de l'entreprise partenaire pour les chauffeurs de cueillette et livraison de bouteilles de gaz (C&L) et les chauffeurs de transport en vrac (VRAC). Cette méthode, inspirée de la norme de sécurité de machines ISO 12100 :2010, permet d'identifier et d'analyser les facteurs de risque techniques et humains les plus importants pouvant mener à des accidents, et ce, pour l'ensemble des étapes et tâches effectuées par le chauffeur dans son travail. Afin de compléter la collecte de données, des entrevues semi-structurées ont été accordées pour les sujets de l'échantillon sur place avec comme objectif d'analyser la perception des risques et d'enrichir la base de données, permettant ainsi d'améliorer le développement préliminaire de l'outil. Ceci a été validé auprès d'un suivi de 1 chauffeur de vrac et 2 chauffeurs dédiés à la cueillette et livraison de bouteilles de gaz. Des observations aux différentes installations de plusieurs clients furent effectuées afin d'identifier les risques. Des enregistrements vidéo ont été réalisés pour l'ensemble des visites dans le but de faire des analyses subséquentes et pour documenter des situations à risque. De plus, un outil a été développé pour identifier les risques des activités qui sont seulement liées aux chauffeurs, en supposant que ceux-ci ne font pas les opérations de maintenance des installations ni des véhicules utilisés. D'une manière générale, les résultats de l'analyse préliminaire du contenu de la base de données de rapports d'accidents ont permis de proposer des pistes de solution pour améliorer la qualité de ses données et d'enrichir le répertoire de facteurs de risque, de situations dangereuses et de facteurs aggravants identifiés préalablement dans la littérature. Les résultats de la présente étude ont aussi permis de constater qu'à part les risques résultants de la nature des matières dangereuses à transporter, les risques liés à la gravité terrestre (c.-à-d. les chutes de hauteur, les chutes de plain-pied et les chutes d'objets), les risques liés à la charge physique du travail et la manutention (ex. les troubles musculosquelettiques) et les risques de type mécanique liés à la circulation de véhicules et aux équipements de travail demeurent les risques qui pèsent le plus sur la santé et sécurité des chauffeurs. En effet, la majorité des dangers auxquels s'exposent les chauffeurs sont générés par des activités comme: la vérification avant départ, le chargement/déchargement et l'organisation du travail. À la suite des observations sur le terrain et de l'interprétation des opinions qui nous ont été exprimées au cours des entretiens semi-dirigés, nous proposons des recommandations portant sur l'élimination ou maîtrise des dangers afférents par mesures de prévention et de bonnes pratiques préconisées dans la littérature, en privilégiant toujours l'implication des chauffeurs dans la SST. La démarche utilisée vise à obtenir plus de détails sur les activités exercées par les chauffeurs ainsi qu'une vision globale de la relation de chacune de ces activités et les risques afférents qui pourraient aider l'entreprise partenaire à améliorer la santé et la sécurité de ses chauffeurs. Enfin, une version préliminaire d'un outil d'audit a été développée permettant aux entreprises de transport de gaz sous pression non seulement de repérer les facteurs de risque auxquels les chauffeurs sont exposés, mais aussi de fournir des solutions simples et réalisables à diverses étapes du processus de livraison.  ABSTRACT: After several years, the transportation industry continues to report many accidents, representing significant costs to business and society. Although driving and road accidents have been widely studied, other activities such as loading and unloading resulting in accidents, are still experiencing great difficulties in the field of OSH. Furthermore, the context in which accidents occur is not specified in the literature review, since it is necessary to consider all the elements involved in the workplace and the underreporting of incidents occurred during these other activities hamper understanding of risk factors that could be effectively addressed. The objective of this exploratory study is to investigate the risk factors to which compressed gas and welding product delivery drivers are exposed in a multinational company dedicated to the production and transportation of compressed gas. A data collection method was developed based on the analysis of the employer's accident report and a literature's review, both for pick-up and delivery drivers and for bulk distribution drivers. This tool derived from the ISO 12100: 2010 standard, allows thus to identify and analyze the most important technical and human risk factors that can lead to accidents, for all the steps and tasks carried out by the driver in his work. Semi-structured interviews were conducted to each of the subjects of the sample to complete the data collection with the objective to analyze the risk perception as well as enrich the database, thereby enhancing the preliminary development of the tool. This was validated with the follow up of one bulk distribution driver and two pick-up and delivery drivers. Observations were made at various installations of several customers to identify the risks. In addition, video recordings were made during the observations for subsequent analysis and taking evidence of risk situations. Moreover, a tool was developed to identify the risks of activities that are solely related to drivers, assuming that they don't perform maintenance of equipment or vehicles. In general, the preliminary results of the analysis of the content of the accident reporting database of the company showed that there are significant opportunities to improve data quality. Also, these results provided a wealth of information in addition to the background related to hazards, dangerous situations and aggravating factors previously identified in the literature. The results of this study also showed that, aside from the risks arising from the nature of the hazardous material to be transported, the risk of fall (i.e., falls from heights, falls from the same height and falling objects), the risks related to physical workload and manual handling (e.g. work-related musculoskeletal disorders) and the mechanical risks associated with the movement of vehicles and work equipment are the ones with more impact in the health and safety of drivers. Indeed, most hazards to which drivers are exposed are generated by activities such as pre-departure verification, loading / unloading and work organization. Following the field observations and the interpretation of the insights expressed during the semi-directed interviews, we propose recommendations for the control or elimination of the dangers associated through preventive measures and good practices recommended in the literature, always promoting a participatory approach. The method used aims at obtaining more details on the activities carried out by the drivers and an overall view of the relationship between each of these activities and the associated risks that could help the partner company improve the health and safety of the drivers. Finally, a potential audit tool was conceived allowing compressed gas transportation companies not only to identify risk factors to which drivers are exposed, but also to provide simple and feasible solutions at various stages of the delivery process.


identifier: Hammoum, S. (2017). Modélisation numérique du comportement mécanique d'une excavation à grande profondeur à l'aide d'une loi d'écrouissage tenant compte des effets du temps – application à la mine Westwood  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La conception des mines profondes requiert une prise en considération d'éléments souvent négligés relativement au comportement de la roche et des massifs rocheux à plus faible profondeur. Un des problèmes rencontrés est la convergence des parois dans le temps plus communément appelée terrain poussant. Très souvent, ce phénomène est observé dans des massifs rocheux de mauvaise qualité situé à grande profondeur. Ce phénomène est observé dans de nombreuses mines au Québec dont la géologie est caractérisée par la présence d'une foliation. L'approche usuelle de conception des ouvrages souterrains repose sur des relations empiriques qui atteignent leurs limites dans cette situation. L'alternative est la conception assistée par ordinateur. Néanmoins, le terrain poussant n'est pas bien compris pour les massifs de roches dures à grandes profondeur. Les modèles disponibles dans la littérature sont complexes et ne sont pas adaptés aux conditions de terrain observées dans le cas étudié. C'est le cas de la mine Westwood de l'entreprise IAMGOLD, situé en Abitibi-Témiscamingue dans le nord-ouest du Québec. Le terrain poussant de la mine Westwood est associé à une schistosité orientée Est-Ouest plus ou moins dense et présente dans tout le massif rocheux. L'approche proposée dans ce mémoire est une approche par modélisation numérique basée sur un modèle de résistance intégrant un écrouissage négatif pour émuler la convergence des parois dans le temps. En effet, l'hypothèse principale de ce modèle est la dégradation différée dans le temps. Le modèle établi propose une corrélation entre le temps d'ouverture de l'excavation et les paramètres d'un modèle de résistance Ubiquitous Joints dans le logiciel FLAC2D permettant d'intégrer le comportement anisotrope observé sur le terrain. Ce modèle est calibré sur une excavation minière instrumentée subissant ce phénomène  ABSTRACT: The design of deep mines requires consideration of often-neglected aspects of the behavior of rock and shallower rock masses. One of the complications encountered is the closing of the walls in time more commonly called squeezing rock. Often, this occurrence is notice in poor quality rock mass at great depth. This phenomenon is experience in many mines in Quebec whose geology show the presence of a foliation. The usual approach to designing underground excavation is based on empirical relationships that reach their limits in this situation. The alternative design approach is computer-assisted. Nevertheless, the squeezing rock is not well understood for hard rock at great depth. The comprehensive models available in the literature are complex and are not adapted to the field conditions observed in the case studied. This is the case of the Westwood mine of IAMGOLD, located in Abitibi-Témiscamingue in northwestern Quebec. The squeezing rock of Westwood Mine is associated with a more or less dense East-West schistosity/foliation throughout the rock mass. The approach proposed in this thesis is a numerical modeling approach based on a resistance model integrating a negative hardening to emulate the convergence of the walls in time. The main hypothesis of this model is delayed degradation of the rock mass. The established model proposes a correlation between the opening time of the excavation and the parameters of a Ubiquitous Joints resistance model in the FLAC2D software allowing the integration of the anisotropic behavior observed in the field. This model is calibrated on an instrumented mining excavation undergoing this phenomenon.


identifier: Nadeau, P. (2017). Étude de l'interface utilisateur d'un système porté au poignet non muni d'écran  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: À ce jour, concevoir l'interface d'un système porté au poignet demeure un défi. L'acceptation par la masse des utilisateurs est freinée par de nombreux obstacles. Il y a peu d'études sur la façon de concevoir efficacement ces interfaces émergentes. Les quelques études sur le sujet se sont concentrées sur de nouvelles formes d'interactions, des prototypes et des lignes directrices, mais une validation sur le terrain faisait toujours défaut. Le bracelet Nex est un système porté au poignet qui n'a pas d'écran. Il communique avec l'utilisateur au moyen de patrons de lumières et de vibrations et l'utilisateur peut communiquer avec le bracelet de façon tactile au moyen de cinq boutons programmables. Comment concevoir cette interface pour qu'elle soit facilement utilisable et utilisée à long terme ? L'objectif de notre étude a été de rendre compte de l'utilisation d'un système porté en situation réelle en recueillant des données empiriques sur l'utilisation du bracelet sur le terrain. La première partie de l'étude a consisté à faire le point sur l'état des connaissances au sujet des interfaces de systèmes portés au poignet et de participer à la conception de l'interface d'un bracelet qui utilise des patrons lumineux et vibrotactiles. La deuxième partie de l'étude a consisté à évaluer l'interface d'un prototype de bracelet auprès de 24 participants tant en laboratoire que sur le terrain pendant une période pouvant aller jusqu'à trois mois. Les principaux résultats ont porté autant sur l'interface utilisateur que sur le bracelet lui-même. Ils nous révèlent que des lacunes dans la forme et l'esthétique du bracelet ont freiné l'acceptation de ce dernier par les utilisateurs. Un ajustement inadéquat du bracelet sur le poignet a compromis la perception de la vibration, ce qui a nui à la perception des notifications envoyées à l'utilisateur et à l'appréciation de l'utilité même du bracelet. L'apprentissage des patrons représentait une charge cognitive significative qui a eu un impact sur la perception de la facilité d'utilisation. Les utilisateurs ont préféré créer des patrons de lumières personnalisés plutôt que d'utiliser ceux qui leur étaient proposés par le système parce qu'ils pensaient que ce serait ainsi plus facile de s'en rappeler.  ABSTRACT: As of today, designing the interface of a wrist worn wearable remains a challenge. User acceptance by the mass is slowed by many road blocks. There is little research on how to design effectively these emerging interfaces. Few studies have focused on novel interactions, prototypes and guidelines, but a validation on the field was lacking. The Nex band is a wrist worn wearable that has no screen. It communicates with the user by means of light and vibration patterns and the user can communicate with the band through five touch-enabled LED lenses. How can we design this interface to be easy to use and used over the long term? The goal of this study was to give an account of the use of a wearable system in the field by gathering empirical data on a real-world usage of a wrist worn wearable. The first part of the study consisted in presenting the knowledge so far acquired concerning the interfaces of wrist worn wearables and participating in the design of an interface for a bracelet that uses light patterns and vibrations. The second part of the study consisted in evaluating the interface of a bracelet prototype with 24 participants both in the laboratory and in the field, for up to 3 months of use. Main findings were as much related to the interface than the band itself. The form and esthetics of the band are the main challenges to user acceptance. The fitting on the wrist impacts the perception of the vibration and has consequences on the perception of notifications sent to the user and on the appreciation of the band usefulness. Learning the patterns was somewhat a cognitive load and impacted the perceived ease of use. Self-generated light patterns were preferred to those proposed by the system because they were perceived as easier to remember.


identifier: Jacobsen, E. (2017). Seismic Behaviour, Numerical Modelling and Displacement-Based Design of Steel Storage Rack Structures for Canadian Applications  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les étagères industrielles en acier, fabriquées des profilés formés à froid ou laminés à chaud sont mise en oeuvre dans une panoplie de contextes tels que des centres de distribution ou des centres commerciaux où l'on charge avec des pallets de marchandises souvent accessibles au grand public. Ces étagères sont habituellement composées des cadres contreventés dans l'une des directions et des cadres semi-rigides dans la direction orthogonale. Les cadres sont semi-rigides en raison des connecteurs poutres-colonnes qui se doivent d'être faciles à reconfigurer afin de s'adapter aux besoins du propriétaire. Ce projet vise la caractérisation de la réponse séismique de ces cadres semi-rigides et le développement d'un modèle robuste de ces derniers ainsi que la validation des provisions, actuellement en état de développement, à l'Annexe du Code canadien sur le calcul des charpentes d'acier.  ABSTRACT: Rack shelving structures, made of cold-formed or hot-rolled members, are used in a variety of contexts, in storage and distribution centres and in publicly accessible warehouse type stores stacked with merchandise on pallets. Racks are typically composed of braced-frames in the “cross-aisle” direction and semi-rigid moment-frames in the “down-aisle” direction. The moment-frames are semi-rigid due to their clip-in or bolt-on beam-column connections which allow easy assembly and geometric modifications according to user needs. This project aims to characterise the seismic response of these semi-rigid moment frames, develop a robust model and test the proposed seismic design provisions currently under development as an annex to the CSA S16 – Design of steel structures.


identifier: Dubois, M.-A. (2017). Simulation intrusive dynamique d'imagerie à effet tunnel  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La microscopie à effet tunnel (STM) est une technique d'imagerie très utilisée en nanoscience qui permet d'étudier les états électroniques et la morphologie d'un substrat en exploitant la nature quantique des électrons traversant une barrière de potentiel. Cette méthode, en plus de donner lieu à l'observation d'objets à l'échelle atomique, permet aussi de les manipuler et d'induire des réactions chimiques. Le problème inverse en STM consiste à déterminer la structure atomique d'un échantillon à partir des images expérimentales. La complexité des phénomènes physiques rendent parfois difficile l'interprétation des images obtenues. Des outils permettant de calculer des images STM à partir d'un modèle moléculaire sont donc nécessaires pour comprendre la source des contrastes observés en imagerie expérimentale. Dans sa forme la plus simple, le calcul d'images STM peut être réalisé en utilisant les théories Bardeen ou de Tersoff-Hamann (TH). Ces approches consistent à utiliser la structure électronique des électrodes isolées pour calculer rapidement, par une méthode perturbative, le courant tunnel de manière semi-quantitative. Dans l'état actuel du domaine, cette méthode est utilisée pour obtenir rapidement des images STM calculées. Certaines approches permettent aussi de considérer une modification physique ou chimique (intrusion) de manière interactive, mais dans un cadre statique sans tenir compte de la réorganisation atomique pouvant survenir à la suite de cette modification. L'objectif de ce projet de recherche consiste donc à utiliser la théorie TH pour développer un outil d'imagerie STM qui considère la relaxation moléculaire survenant à la suite d'une intrusion de manière interactive. Pour concrétiser cet objectif, quatre stratégies sont employées. Nous utilisons la théorie de la superposition atomique et de la délocalisation électronique (ASED)à laquelle un terme de van der Waals est ajouté pour calculer l'énergie totale et la structure électronique des systèmes. Pour considérer la relaxation moléculaire, l'algorithme d'optimisation non-linéaire de Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) est utilisé pour optimiser la géométrie de nos systèmes. La structure électronique des molécules relaxées est par la suite utilisée pour calculer, pixel par pixel, le courant tunnel en utilisant principalement le formalisme de Tersoff-Hamann (TH). Finalement, afin de tirer profit des architectures informatiques modernes, les étapes du calcul de la structure électronique et de l'image STM sont réalisées en parallélisant les problèmes. En particulier, un algorithme hybride utilisant des processeurs graphiques (GPU) permet d'accélérer drastiquement le calcul de l'image.  ABSTRACT: Scanning Tunneling Microscopy (STM) is an imaging technique widely used in nanoscience that allows to study the electronic states and the morphology of a substrate by exploiting the quantum nature of electrons passing through a potential barrier. While this method allows the observation of objects on the atomic scale, it can be used to manipulate them and induce chemical reactions. The inverse problem in STM consists in determining the atomic structure of a sample from the experimental images. Sometimes, the complexity of physical phenomena makes it difficult to interpret the images obtained. Therefore, simulation tools that compute STM images from a molecular model are necessary to understand the source of the contrasts observed in the experimental images. In its simplest form, the calculation of STM images can be performed using the Bardeen or Tersoff-Hamann (TH) theories. These approaches consist in using the electronic structures of the isolated electrodes to calculate the tunneling current in a semi-quantitative manner by a perturbative method. In the current state of the field, this method is used to quickly obtain computed STM images. Some approaches also allows the consideration of a physical or chemical modification (intrusion) interactively, but in a static framework without taking into account the atomic reorganization that can occur as a result of this modification. The objective of this research project is therefore to use the TH theory to develop an STM imaging tool that considers molecular relaxation occurring as a result of an intrusion in an interactive way. To achieve this goal, four strategies are used. To calculate the total energy and electronic structure of the systems while considering weak intermolecular interactions, we use the Atomic Superposition and Electron Delocalization Molecular Theory (ASED) to which a van der Waals term is added. Moreover, the Broyden-Fletcher-Goldfarb-Shanno (BFGS) nonlinear optimization algorithm is used to optimize the geometry of our systems to consider molecular relaxation. The electronic structure of the relaxed molecules is then reused to calculate the tunnel current pixel by pixel using mainly the Tersoff-Hamann formalism (TH). Finally, in order to take advantage of modern computer architectures, the steps of calculating the electronic structure and the STM image are carried out in a parallel way. In particular, a hybrid algorithm using graphical processors (GPU) makes it possible to accelerate drastically the calculation of the image.


identifier: Valitova, I. (2017). Electrolyte Gated Metal Oxide Transistors  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'invention du transistor a significativement affectée le progrès technique et scientifique de notre société. Depuis plus de 50 ans, les transistors sont utilisés comme composants actifs dans les circuits électroniques, pour réaliser des amplificateurs ou des interrupteurs par exemple. La plus fascinante des directions futures pour le développement des transistors consiste en leur utilisation dans des dispositifs électroniques flexibles, légers et biocompatibles. Les oxydes métalliques semi-conducteurs ont été intensivement étudiés au cours des dernières décennies pour des applications dans les transistors, du fait de la grande mobilité de leurs porteurs de charges (∼1– 100 cm2V-1s-1), de leur importante transparence optique, de leur stabilité chimique ainsi que de leur faible coût de fabrication. Les oxydes métalliques sont divisés entre les oxydes de transition et ceux post-transition, dépendamment des métaux, qui possèdent différentes configurations électroniques et donc différentes conductivités. Dans cette thèse, nous allons nous concentrer sur les deux principaux représentants des oxydes métalliques de transition et post-transition, i.e., le TiO2 et le SnO2, utilisés comme matériaux de canal dans des transistors utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille. Le TiO2 et le SnO2 sont abondants et biointégrables, possèdent une large bande interdite (3-4 eV), et peuvent être utilisés comme canal de transistor pour de nombreuses applications différentes. Remplacer le diélectrique conventionnel dans les transistors à couche minces par un électrolyte donne l'opportunité de décroître le voltage auquel le transistor est opéré du fait de la haute capacitance de la double couche électrique (autour de 10 μF/cm2) qui se forme à l'interface entre l'électrolyte et le semi-conducteur. Cette capacitance élevée permet l'accumulation d'une importante densité de porteurs de charges dans le canal et rend donc possible la transition entre un état isolant et un état semi-conducteur voire métallique. Les transistors utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille (EGTs) peuvent être employés comme éléments de matrice active pour les écrans à faible puissance ou encore intégrés dans des textiles ou d'autres matériaux flexibles. Les EGTs peuvent aussi être utilisés dans d'autres applications prometteuses que sont telles les capteurs chimiques ou biologiques, du fait de leur haute sensibilité aux ions et de leur compatibilité avec les électrolytes aqueux. Le coeur de cette thèse est dévoué à une meilleure compréhension des mécanismes d'opération d'une importante classe de transistors à couche minces, i.e. les transistors à oxydes métalliques v utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille, afin d'optimiser leurs performances et de développer des agencements géométriques pour permettre d'obtenir des transistors à haute performance. Les EGTs consistent en un canal en oxyde métallique et en une électrode de grille en contact avec un électrolyte. L'application d'un voltage à la grille entraîne la formation d'une double couche électrique au niveau de l'interface entre le canal et l'électrolyte, qui permet de moduler la densité des porteurs de charges dans le canal. Les mécanismes de dopage et la modulation de la densité des porteurs de charges dans les EGTs ont été étudiés par caractérisation électrique des transistors, par voltammétrie cyclique (CV) ainsi que par spectroscopie d'impédance électrochimique. Des transistors SnO2 et TiO2 utilisant des liquides ioniques à la grille ont été fabriqués sur des substrats en silicone. Une méthode de gravure non conventionnelle utilisant le parylène a été utilisée pour étudier le rôle joué par l'extension des interfaces électrolyte/semi-conducteur et électrode/semi-conducteur sur le dopage ainsi que sur les processus de transport des porteurs de charges. Le chevauchement entre les électrodes métalliques et le semi-conducteur, qui est en contact avec l'électrolyte, affecte le processus d'injection des charges. La gravure a entraîné l'augmentation de la densité des porteurs de charges d'un à deux ordres de magnitude dans les deux oxydes métalliques. De plus, les EGTs à SnO2 ont été fabriqués sur des substrats flexibles en polyimide. Les transistors EGTs à SnO2 flexibles possèdent de bonnes propriétés électriques lorsqu'ils sont pliés selon différents rayons de courbure et ils pourraient posséder un fort potentiel pour des applications dans le domaine de l'électronique flexible. Les effets de la structure et de la morphologie des semi-conducteurs sur les performances des transistors ont été étudiés. Dans ce but, des films de TiO2 poreux à très forte densité ont été fabriqués par traitement à partir d'une solution ainsi que par évaporation par faisceau d'électrons. Les EGTs à TiO2 faits par évaporation possédaient un courant plus élevé ainsi qu'un ratio on/off plus haut du fait d'une meilleure qualité de la structure. Les effets des gros cations [EMIM] et des petits cations Li+ sur les mécanismes de dopage ont été étudiés en utilisant deux électrolytes [EMIM][TFSI] et [EMIM][TFSI] mélangé avec un sel de lithium. Les relativement gros cations [EMIM] ne peuvent pas pénétrer à l'intérieur du maillage cristallin du TiO2. L'intercalation de petits cations comme le Li+ a été rendue possible à la fois dans les films denses et dans les films mésoporeux de TiO2 par réduction de la vitesse de balayage dans les mesures courant/voltage. vi Les mécanismes de transport des charges des transistors utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille ont été étudiés et une corrélation entre la capacitance de la double couche, la densité des porteurs de charges, la mobilité des électrons, la tension seuil et le ratio on/off a été démontrée. Nous pensons que nos transistors à oxydes métalliques utilisant un électrolyte comme diélectrique à la grille sont prometteurs pour de l'électronique flexible, produite sur de grandes surfaces et à faible coût.  ABSTRACT: The invention of the transistor has significantly affected the technological and scientific progress of our society. For over 50 years, transistors have been used as the active components, such as amplifiers or switches, in electronic circuits. The most fascinating future direction for transistor development is towards flexible, lightweight and biocompatible electronics. Metal oxide semiconductors have been intensively investigated over the past decades for transistor applications, due to their high charge carrier mobility (∼1– 100 cm2V-1s-1), high optical transparency, chemical stability and low-manufacturing cost. Metal oxides are divided into transition and post transition oxides, depending on the metals, which possess different electron configurations and, accordingly, different conductivity. In this Thesis we focus on two main representatives of transition and post transition metal oxides, i.e., TiO2 and SnO2, as the channel materials in electrolyte gated transistors. TiO2 and SnO2 are abundant and bio friendly, with high band gap (3-4 eV) and can be utilized as transistor channel for many different applications. Replacing the conventional dielectric in thin film transistors with electrolyte gives the opportunity to decrease the transistor operating voltage due to the high capacitance of the electrical double layer (around 10 μF/cm2) that form at the electrolyte/semiconductor interface. This high capacitance allows accumulation of high charge carrier density in the channel thus making possible a transition from an insulating state to semiconducting or metallic one. Electrolyte gated transistors (EGTs) can be utilized as backplanes for low powered displays and integrated into textiles or flexible materials. Other exciting applications of EGTs are chemical sensors or biosensors, due to the high sensitivity to ions and compatibility with aqueous electrolytes. The core of this thesis is devoted to a better understanding of the operational mechanisms of an important class of thin film transistors, i.e. electrolyte gated metal oxide transistors, to optimize their performance and to develop the appropriate device geometry for high performance transistors. EGTs consist of metal oxide channel and a gate electrode in contact with an electrolyte. The application of a gate electrical bias leads to the formation of an electrical double layer at the channel/electrolyte interface, which permits to modulate the charge carrier density in viii the channel. The doping mechanisms and the charge carrier density modulation in EGTs were investigated by transistor electrical characterization, cyclic voltammetry (CV) and electrochemical impedance spectroscopy. Ionic liquid gated SnO2 and TiO2 transistors were fabricated on silicon substrates. Parylene patterning was utilized to investigate the role played by the extension of the electrolyte/semiconductor and electrode/semiconductor interfaces on the doping and charge carrier transport processes. The overlap between the metal electrodes and the semiconductor, which is in contact with the electrolyte, affects the charge injection process. By patterning the charge carrier density was increased on one or two order of magnitude in both metal oxide materials. Moreover, SnO2 EGTs were fabricated on flexible polyimide substrate. EGT SnO2 flexible transistors possessed good electrical properties under bending at different radius and could have high potential in flexible electronics. The effect of structure and morphology of semiconductors on transistor performance was demonstrated. For this purpose, porous and highly dense films of TiO2 were fabricated by solution processing and by electron beam evaporation. Evaporated TiO2 EGT showed higher current and higher on/off ratio due to better structural quality. The effect of big [EMIM] and small Li+ cation on doping mechanisms was investigated by using two electrolytes [EMIM][TFSI] and [EMIM][TFSI] mixed with a lithium salt. The relatively large [EMIM] cation cannot enter the crystal lattice of TiO2. The intercalation of small cation such as Li+ was possible both in mesoporous and dense TiO2 films by decreasing the sweeping rate in current / voltage measurements. The charge transport mechanism of electrolyte gated transistors was investigated and a correlation between capacitance of the double layer, charge carrier density, electron mobility, threshold voltage and on/off ratio was demonstrated. We believe that our electrolyte gated metal oxide transistors are promising for low cost, flexible and large area electronics.


identifier: Ammar, S. (2017). Impact de gouttelette et changement de phase par la méthode de Boltzmann sur réseau  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les écoulements multiphasiques avec changement de phase et transfert de chaleur interviennent dans de nombreuses applications industrielles et processus naturels. Malgré le développement rapide des outils numériques, la simulation numérique d'écoulements fluides à plusieurs phases immiscibles demeure un défi en raison de la difficulté inhérente à suivre les interfaces. Habituellement, pour résoudre ce type d'écoulement, des méthodes numériques basées sur les équations de Navier Stokes couplées à des méthodes lagrangiennes ou eulériennes sont utilisées. Cependant, ces dernières décennies, la méthode Boltzamnn sur réseau est apparue comme une méthode prometteuse pour simuler les écoulements à géométrie complexe et à plusieurs phases. Dans ce contexte, l'objectif principal de cette thèse est de développer un modèle multiphasique 3D basé sur la méthode de Boltzmann sur réseau capable d'étudier l'impact d'une gouttelette sur une surface et de traiter les changements de phase. Pour ce faire, le modèle pseudo-potentiel de Shan & Chen pour la simulation d'écoulement à plusieurs phases et plusieurs composants est utilisé comme point de départ. Cette recherche doctorale est organisée autour de trois thèmes afin de mettre en évidence les contributions. Des cas tests sont réalisés afin de valider les améliorations apportées au modèle et des applications physiques sont proposées. Le premier thème apporte une amélioration au modèle pseudo-potentiel en découplant la tension de surface et la densité. Le tenseur de pression du modèle 3D est modifié pour permettre un ajustement de la tension de surface tout en préservant la consistance thermodynamique. Dans ce thème, l'étude de l'impact d'une gouttelette sur une surface sèche et mouillée est analysée. Le thème 2 généralise la méthode de modification du tenseur de pression aux cas d'écoulements à plusieurs composants, dont la viscosité des fluides est différente. Il permet de simuler des écoulements à ratios de densité et de viscosité élevés. Enfin, le thème 3 ajoute les effets thermiques au modèle multiphasique à plusieurs composants. Le changement de phase et les échanges de chaleur entre composants sont étudiés. Pour chacun des thèmes, un article scientifique a été rédigé et soumis à un journal.  ABSTRACT: Multiphase flows with phase change and heat transfer occur in many industrial applications and natural processes. Despite the rapid development of numerical tools, the numerical simulation of fluid flows with multiple immiscible phases remains a challenge because of the inherent difficulty for tracking the interfaces. Usually, to solve this type of flows, numerical methods based on Navier Stokes equations coupled with Lagrangian or Eulerian methods are used. However, in recent decades, the Boltzmann method has emerged as a promising approach for simulating complex geometry flows and multiphase flows. In this context, the main objective of this thesis is to develop a 3D multiphase model based on the Boltzmann method which can study droplet impingement on a surface and analyze the phase change. To do this, the pseudo-potential model of Shan & Chen for simulating multiple phases and components flows is used as a starting point. This doctoral research is organized around three themes in order to highlight the contributions of this thesis. Test cases are carried out to validate the improvements made to the model and physical applications are proposed. The first theme improves the pseudo-potential model by decoupling the surface tension and the density. The pressure tensor of the 3D model is modified to allow an adjustment of the surface tension while preserving the thermodynamic consistency. In this topic, the study of the impingement of a droplet on a dry and wet surface is analyzed. Theme 2 generalizes the modification of the pressure tensor to cases of multi-component flows with different fluid viscosities. It allows simulating flows with high density and viscosity ratios. Finally, the theme 3 adds thermal effects to the multiphase multi-component model. Phase change and heat exchanges between components are studied. For each of the themes, a scientific article was written and submitted to a journal. These articles are presented in this document as a chapter.


identifier: Delfrate, J. (2017). Impact de la prématurité et de la dysplasie broncho-pulmonaire sur les échanges gazeux et la fonction cardio-pulmonaire au décours d'un exercice maximal chez de jeunes adultes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Introduction : La naissance prématurité cause généralement un arrêt ou une altération du développement cardiovasculaire et pulmonaire, entraînant ainsi une diminution de la capacité à l'exercice lors d'un effort physique à l'âge adulte.  Objectif : Cette étude a pour objectif de comparer la capacité aérobie et le modèle respiratoire lors d'un effort physique, entre une population de jeunes adultes nés prématurés, avec et sans dysplasie broncho-pulmonaire, et une population contrôle, née à terme.  Méthode : 142 jeunes adultes (18-29 ans) ont passé un test de fonction pulmonaire forcée (spirométrie) et un test physique cardiopulmonaire lors d'un effort sur ergomètre. Parmi les 142 sujets, 71 sont nés prématurément, c'est-à-dire avant 29 semaines de gestation, dont 24 avec une dysplasie broncho-pulmonaire et 47 sans dysplasie. Une analyse par ANOVA à 3 facteurs a été choisie pour comparer la consommation d'oxygène maximal (VO2pic), la courbe d'efficacité d'absorption d'oxygène (OUES), la courbe d'efficacité ventilatoire (Ve-VCO2) et le modèle respiratoire, entre ces trois groupes.  Résultats : Au repos, les participants nés prématurés avec et sans dysplasie broncho-pulmonaire, ont montré une limitation du flux respiratoire en comparaison au groupe contrôle (p<0.05). Au pic de l'effort, seuls les prématurés avec une dysplasie broncho-pulmonaire ont montré une diminution de la capacité à l'exercice (VO2pic) absolue, prédite et relative à la masse corporelle sèche par rapport au groupe contrôle, ainsi qu'une plus petite charge maximale atteinte (p<0.05). L'indice OUES s'est montré diminué chez l'ensemble de la population prématuré en comparaison au groupe contrôle (p<0.05). Par contre, la réponse ventilatoire à la production de dioxyde de carbone (courbe Ve-VCO2) a été similaire entre les groupes. Enfin, les participants avec une dysplasie broncho-pulmonaire ont révélé un modèle respiratoire atypique pendant l'effort, montrant ainsi une incapacité à augmenter leur volume respiratoire courant. Conclusion : Les jeunes adultes nés prématurément, spécialement ceux ayant développé une dysplasie broncho-pulmonaire, présentent une capacité aérobie diminuée et un modèle ventilatoire anormal, en comparaison aux sujets contrôles nés à terme. Une compréhension des mécanismes sous-jacents et limitants lors d'un effort chez cette population est essentielle, pour pouvoir créer des modèles d'entraînements et de réadaptations efficaces.  ABSTRACT: Rationale: Preterm birth, especially when complicated by bronchopulmonary dysplasia, alters cardiovascular and pulmonary development with lasting effects in adulthood. How this may impair aerobic exercise capacity remain unclear.  Objectives: To compare aerobic exercise capacity and breathing pattern during exercise between young adults born very preterm with and without bronchopulmonary dysplasia, and term controls.  Methods: We assessed 142 young adults (18-29 years), including 71 born ≤29 weeks' gestational age with (n=24) or without (n=47) bronchopulmonary dysplasia and 71 born at term using forced spirometry and cardiopulmonary exercise testing on a cycle ergometer. One-way ANOVA were used to compare peak O2 consumption, the O2 uptake efficiency slope, ventilatory efficiency, and breathing pattern across the three groups.  Main results: At rest, preterm participants with and without bronchopulmonary dysplasia displayed airflow limitation compared to term controls (p<0.05). At peak effort, only those with bronchopulmonary dysplasia, compared to terms, displayed lower absolute, predicted, and relative to lean body mass O2 consumption and achieved lower workloads (p<0.05). However, O2 uptake efficiency during exercise was reduced in all preterm participants, regardless of bronchopulmonary dysplasia status (p<0.05). Ventilatory response to carbon dioxide production was similar across groups. Bronchopulmonary dysplasia was associated with an atypical breathing pattern characterized by an inability to increase tidal volume with increasing effort.  Conclusion: Adults born very preterm, especially with bronchopulmonary dysplasia, had impaired O2 uptake during exercise and a breathing pattern that differed from that of term controls. Understanding the mechanisms leading to exercise limitation is important to design effective exercise training programs.


identifier: Parenteau, M. (2017). Aerodynamic Optimization of Aircraft Wings Using a Coupled VLM-2.5D RANS Approach  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le processus de conception d'avion de transport civil transsonique est complexe et requiert une forte gouvernance afin de gérer toutes les phases de développements de programme. Il y a un besoin dans la communauté de développer des modèles numériques pour toutes les disciplines qui permettent de relier les phases de design conceptuel, préliminaire et détaillée de façon continue, de telle sorte que les choix faits soient consistants entre eux. L'objectif de ce travail est de développer un modèle aérodynamique adapté pour l'optimisation conceptuelle multidisciplinaire avec un faible coût de calcul et une fidélité suffisante pour explorer un vaste espace de conception dans les régimes transsoniques et basses vitesses avec systèmes hypersustentateurs. L'approche est basée sur la Méthode non-visqueuse Vortex Lattice Method (VLM), sélectionnée pour son faible temps de calcul. Les effets visqueux sont modélisés avec des calculs RANS bidimensionnels haute fidélité effectués à différentes sections le long de l'envergure de l'aile. Les données de sections visqueuses sont calculées avec les conditions d'une aile en flèche infinie pour inclure les effets de l'écoulement transverse qui sont important dans la prédiction du coefficient de portance maximal. Ces effets visqueux sont incorporés itérativement avec le VLM à l'aide d'un algorithme de couplage de type alpha modifié spécialement pour prendre en compte des données avec aile en flèche. De plus, une dissipation artificielle est ajoutée afin de stabiliser la solution dans la région post-décrochage. La précision de la méthode est comparée à celle des solutions 3D RANS sur le Bombardier Research Wing (BRW) avec et sans systèmes hypersustentateurs. Les résultats démontrent une précision impressionnante de l'approche RANS VLM/2.5D par rapport aux solutions 3D RANS. De plus, les solutions de l'approche RANS VLM/2.5D s'effectuent en quelques secondes seulement sur un ordinateur classique. Finalement, le solveur aérodynamique est implémenté dans un cadre d'optimisation avec une méthode de type Covariant Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES). Des optimisations à basse vitesse et haute vitesse avec fonction mono-objective sont réalisées, ainsi que des optimisations avec fonction objective-composée en combinant des objectifs basses vitesses et hautes vitesses. D'autre part, l'approche VLM/2.5D est capable de capter les cellules de décrochage. Par conséquent, cette caractéristique est utilisée pour définir un nouveau critère de décrochage selon l'envergure de l'aile afin d'être utilisé comme contrainte d'optimisation. Le travail conclue sur les limites de la méthode et sur les prochains développements possibles.  ABSTRACT: The design process of transonic civil aircraft is complex and requires strong governance to manage the various program development phases. There is a need in the community to have numerical models in all disciplines that span the conceptual, preliminary and detail design phases in a seamless fashion so that choices made in each phase remain consistent with each other. The objective of this work is to develop an aerodynamic model suitable for conceptual multidisciplinary design optimization with low computational cost and sufficient fidelity to explore a large design space in the transonic and high-lift regimes. The physics-based reduce order model is based on the inviscid Vortex Lattice Method (VLM), selected for its low computation time. Viscous effects are modeled with two-dimensional high-fidelity RANS calculations at various sections along the span and incorporated as an angle of attack correction inside the VLM. The viscous sectional data are calculated with infinite swept wing conditions to allow viscous crossflow effects to be included for a more accurate maximum lift coefficient and spanload evaluations. These viscous corrections are coupled through a modified alpha coupling method for 2.5D RANS sectional data, stabilized in the post-stall region with artificial dissipation. The fidelity of the method is verified against 3D RANS flow solver solutions on the Bombardier Research Wing (BRW). Clean and high-lift configurations are investigated. The overall results show impressive precision of the VLM/2.5D RANS approach compared to 3D RANS solutions and in compute times in the order of seconds on a standard desktop computer. Finally, the aerodynamic solver is implemented in an optimization framework with a Covariant Matrix Adaptation Evolution Strategy (CMA-ES) optimizer to explore the design space of aerodynamic wing planform. Single-objective low-speed and high-speed optimizations are performed along with composite-objective functions for combined low-speed and high-speed optimizations with high-lift configurations as well. Moreover, the VLM/2.5D approach is capable of capturing stall cells phenomena and this characteristic is used to define a new spanwise stall criteria to be introduced as an optimization constraint. The work concludes on the limitations of the method and possible avenues for further research.


identifier: Altman, C. (2017). Optimisation de tournées de véhicules avec contrainte de fragilité  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans le cadre du transport maritime, les marchandises sont empilées verticalement selon leur ordre de collecte ou de livraison. La nature des marchandises peut être très différente, par exemple dans le cas du ravitaillement des villes dans le nord du Canada, il faut amener des voitures, de l'essence, des médicaments ou du matériel de construction. Ces différentes marchandises n'ont pas la même masse et il faut donc faire attention à la manière dont sont superposées ces marchandises. Des barils d'essence transportés sur une voiture risquent de rendre la voiture inutilisable et les bidons d'essence aussi par la même occasion. Ces problèmes de marchandises légères et lourdes ne pouvant être superposées se retrouvent également lors du chargement de remorques à partir de chariots élévateurs amenant des palettes. Ce mémoire cherche à améliorer la construction des tournées de véhicules en tenant compte de cette contrainte de fragilité. En partant du problème connu de tournées de véhicules avec fenêtres de temps et de capacité, ce mémoire va développer des méthodes pour respecter la contrainte de fragilité et l'intégrer aux algorithmes de type Branch-Price-and-Cut existants le plus efficacement possible. La plupart des modifications se feront sur les algorithmes d'étiquetage durant la génération des routes. Il convient que les algorithmes doivent être capables de résoudre la plupart des instances classiques pour que la solution proposée soit applicable dans la vie réelle. À cette fin, des tests seront menés sur des instances classiques et interprétés. Les méthodes proposées dans les chapitres 4 et 5 permettent de générer des routes respectant la contrainte de fragilité en regardant uniquement la séquence d'entrée des marchandises et sans s'intéresser aux dispositions possibles dans la cale. Ces résultats théoriques sont ensuite intégrés à un algorithme existant afin de construire des algorithmes respectant la contrainte de fragilité. Le chapitre 4 se concentre sur le cas des piles de hauteur 2 tandis que le chapitre 5 s'intéresse au cas général, sans connaitre la hauteur des piles a priori. Les résultats théoriques permettent d'obtenir des algorithmes efficaces comme le montrent les résultats expérimentaux obtenus dans les chapitres 4 et 5. Ces résultats expérimentaux sont des tests effectués avec nos algorithmes et une analyse des résultats selon différents paramètres. Ces analyses mettront en valeur l'intérêt et les spécificités de notre problème. Des comparaisons seront également effectuées avec d'autres algorithmes pour montrer la pertinence de notre recherche.  ABSTRACT: In maritime merchandise transport, goods are stocked vertically according to their pick-up or delivery order. The nature of the goods can differ and sometimes heavy items cannot be put above light items. For instance, if you are carrying iron and porcelain, you do not want the porcelain to be under the iron. Building routes that respect this condition is not an easy task and an algorithm that would take care of this fragility constraint would be very useful. This research aims at developping methods to avoid violating the fragility constraint for new routes to include in the problem. Starting from the classic vehicle routing problem, we will develop Branch-Price-and-Cut algorithms that respect time windows and capacity constraints but also respect the fragility one. Such algorithms should be efficient to solve a majority of the instances in a reasonable amount of time. Theoretical results from chapters 4 and 5 would let us build route without a fragility problem. just by knowing the order of the goods collected. Chapter 4 focus on vehicles with two floors while chapter 5 takes the number of floor as a parameter. With those results, we build algorithms that respect the fragility constraint and solve our route-building problem. To show the efficiency of our algorithms, we will conduct some tests and analyse the results according to different parameters. This analysis will show the strength of our results and the specificity of our problem.


identifier: Lacombe, F. (2017). Vérification et validation d'une loi de paroi consistante du modèle de turbulence K-w SST  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le modèle de turbulence k − ω SST est très répandu dans les codes de CFD modernes, car il offre de bonnes performances pour une vaste gamme de problèmes. Il fait notamment bonne figure dans les zones de fort gradient de pression adverse. La force de ce modèle réside dans sa capacité à exploiter les avantages des deux modèles de turbulence les plus populaires, le k −E et le k − ω. Le  premier pour ses bonnes performances dans les zones d'écoulement libre, et le second pour sa pertinence dans les zones cisaillées, plus particulièrement dans les couches limites. Par ailleurs, le modèle k − ω SST est intégrable jusqu'à la paroi et donc compatible avec les modèles bas-Reynolds et l'approche des lois de paroi consistantes. Les lois de paroi consistantes présentent l'avantage, par rapport aux lois de paroi standard, d'être entièrement consistantes avec le modèle de turbulence avec lequel elles sont utilisées. En effet, dans l'ap- proche consistante des lois de paroi, les variables adimensionnelles de vitesse, température et de turbulence sont interpolées dans des tables spécifiques à chaque modèle de turbulence. Ces dernières sont produites  à partir de la résolution des équations RANS 1D dans la couche limite. On s'assure ainsi d'imposer des conditions limites cohérentes en faisant un minimum d'hypothèse sur l'écoulement. Ce mémoire présente une formulation tout couplée pour le modèle de turbulence k − ω SST. Nous y proposons entre autres une démarche générale pour le développement et l'implémentation de lois de paroi consistantes et consistantes. Nous explorons au passage les principales étapes de l'implémentation d'un modèle de turbulence dans un code de CFD par éléments finis. En ce sens, nous  dérivons la forme faible au sens de Galerkin ainsi que la forme stabilisée (Stabilized Upwind et  Stabilized Upwind Petrov Galerkin) des équations aux dérivées partielles du modèle de turbulence k − ω SST. Nous traitons également du couplage des équations et des principaux algorithmes de résolution. Nous abordons ensuite le traitement des conditions limites en zone proche paroi et leur impact sur l'ordre de convergence de la méthode de Newton. Nous proposons également une stratégie d'adaptation selon les fonctions de pondération du modèle de turbulence k − ω SST. Enfin, nous  abordons l'aspect vérification à l'aide de la technique des solutions manufacturées et finirons par faire la validation du modèle à l'aide de cas tests typiques en modélisation RANS.  ABSTRACT: The turbulence k − ω SST model is very common in modern CFD codes because of its good performance over a wide range of industrial problems. Particularly in areas of strong adverse pressure gradient. The strength of the model lies in its ability to take advantage of two of the most popular turbulence models, the k−E and the k−ω. The former for its good performance in free shear flows, and the second for its relevance in wall bounded flows, more specifically in boundary layers. Moreover, the k − ω SST model is valid in the whole boundary layer and is, therefore, compatible with low-Reynolds models and therefore the consistent wall law approach. The consistent wall function has the advantage, compared to the standard wall laws, to be entirely consistent with  the turbulence model for which it has been derived. In the consistent wall law approach, the non-dimensional variables of speed, temperature and turbulence are interpolated from a model specific table unique to each turbulence model. Those tables are produced from the numerical resolution of the one-dimensional RANS equa- tions for turbulent Couette flow. In this way, we  ensure the imposition of coherent boundary conditions for all variables up to the wall. In this master's thesis, we present a fully coupled formulation of the k − ω SST turbulence model. We propose among others a general approach for the development and the implementation of consistent wall functions. We explore the main steps of the implementation of a turbulence model in a finite elements based CFD code. In this manner, we derive the weak form, in the sense of  Galerkin, as well as its stabilized weak form of the k −ω SST equations. We also discuss the coupling of the equations and their main algorithms of resolution. We then discuss the treatment of boundary conditions in the near-wall region and their impact on the convergence of the Newton's method. We also propose a mesh adaptation strategy according to the blending function of the k − ω  SST model. Finally, we investigate the verification aspect using the technique of manufactured solutions and will validate the model using typical test cases in RANS modeling.


identifier: Lavoie, P. (2017). Modeling of Thin Water Films on Swept Wings in Icing Condition  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les outils de simulation numérique du givrage sont d'une importance significative pour une conception optimale de l'avion et sa sécurité en vol. Des logiciels de givrage de nouvelle génération sont en cours d'implantation au sein de l'industrie aéronautique, amenant des outils de prédiction précis et applicable à tout type de géométrie. Néanmoins, une modélisation adéquate des films d'eau caractéristique de la glace de type verglas est requise pour améliorer les prédictions actuelles et pour répondre aux récentes normes de certification concernant les gouttelettes surfondues de grande taille (communément nommées SLD). Ce projet de recherche vise à modéliser correctement la glace de type verglas sur des profils d'ailes en condition de givrage. Pour atteindre cet objectif, trois aspects principaux sont considérés : l'évaluation adéquate du transfert de chaleur par convection, une bonne représentation des nuages de gouttelettes et une modélisation juste de la physique des films d'eau. De plus, les méthodes utilisées doivent être compatible pour la simulation sur des ailes en flèche infinies. En premier lieu, le calcul du coefficient de transfert de chaleur convectif est étudié afin de remplacer les méthodes semi-empiriques actuellement utilisées. Une méthode basée sur la solution des équations de Navier-Stokes est proposée afin de rendre le calcul applicable à tout type géométrie et à tout type d'écoulement. De plus, afin d'obtenir une meilleure représentation du nuage de gouttelettes et du même coup une meilleure prédiction des limites de glace, une distribution de tailles de gouttelettes est ajouté. Il est démontré que cette modification est nécessaire autant pour les tailles standards que pour les grandes tailles de gouttelettes. Enfin, l'évaluation de la force de traînée appliquée sur les gouttelettes est modifiée pour considérer la déformation de la gouttelette puisque celle-ci n'est plus strictement sphérique en régime SLD, elle tend plutôt vers la forme d'un disque. En second lieu, un modèle thermodynamique basé sur des équations aux dérivées partielles pour l'évaluation de l'épaisseur de glace, l'épaisseur du film d'eau et de la température de surface est implémenté. Ce modèle suppose un film d'eau se déplaçant selon l'effet de la friction de l'air et donne des résultats très similaires à un modèle algébrique. Le modèle est résolu de manière instationnaire permettant l'ajout de phénomènes transitoires dans la modélisation du film d'eau. Un cas pathologique est démontré sur une géométrie manufacturée comportant des zones de recirculations où une  accumulation d'eau peut être observée. Cette situation est rencontrée autant pour le modèle algébrique que pour le modèle aux dérivées partielles.  ABSTRACT: Numerical tools for the prediction of in-flight ice accretion are valuable for the optimal design and the safe operation of aircraft in icing conditions. A new generation of tools are making their way into the industry, providing more general and accurate icing softwares. Besides, a good representation of water films characterizing the glaze ice condition is needed to improve the current predictions and to model the newly defined requirements for Supercooled Large Droplets (SLD). The current research project focuses on the proper modeling of glaze ice accretion on airfoils. To meet this objective, three main aspects are covered: a proper evaluation of the convective heat transfer, a good representation of the droplets cloud and the correct modeling of the water film on the surface of the airfoil. Furthermore, the methods implemented must be compatible for the simulation of ice accretion on infinite swept wings. First, the evaluation of the Convective Heat Transfer Coefficient (HTC) is studied in order to replace the semi-empirical approach currently used. A method based on the solution of the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) equations is suggested and proves to be applicable to any type of geometries and airflow conditions. Moreover, to obtain a better representation of the droplets cloud and at the same time an improved prediction of the ice limits, a droplets size distribution is implemented. It is shown that this modification is required for both the standard and large size droplets. Then, the droplets drag model is modified to account for the deformation of the droplets which tend to be more disk shaped as their size increases instead of simply spherical. Second, a Partial Differential Equation (PDE) based model for the evaluation of the water thickness, the ice height and the surface temperature is implemented. The thermodynamic model assumes a skin friction driven water film and provides results similar to its algebraic counterpart. The PDE model is solved unsteady allowing the addition of transient phenomena for modeling the water film. A pathological case is demonstrated on a manufactured geometry where water accumulation is observed near the recirculation zones. This behavior is observed for both the PDE and algebraic models. Finally, a validation is performed on two-dimensional icing cases demonstrating a very good agreement between the numerical and experimental results. The icing software is also tested for ice accretion on infinite swept wings. A comparison with a two-dimensional  correction method for the simulation of swept wing shows a better evaluation of the convective heat transfer near the stagnation point.


identifier: Los, A. (2017). Uncertainty Estimation in Indirect Calibration of Five-Axis Machine Tools  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La calibration de machine-outil est un processus critique qui vise à maintenir la précision de la machine et, par conséquent, la qualité d'usinage aux niveaux requis. Différentes méthodes de mesures et instruments sont utilisés pour acquérir l'information de la géométrie de la machine. Les résultats de calibration sont exploités pour corriger et compenser les erreurs de la machine. Ainsi, ils devraient être évalués par rapport à leur incertitude. Dans cette thèse, la méthode de calibration de l'artefact de l'échelle et des billes de référence (SAMBA) est estimée au travers de son incertitude. L'exécution de SAMBA nécessite de palper l'artefact non-calibré sous différentes indexations des axes de rotation de la machine et la barre d'échelle au moins une fois. Le calcul du centre des billes, introduit au sein du modèle cinématique de la machine, permet d'estimer les paramètres d'erreur géométrique de la machine (grandeur de sortie). La méthode proposée de l'estimation d'incertitude prend en compte que la calibration analysée a un modèle à entrées multiples et sorties multiples ainsi qu'une solution itérative. Ainsi, le Guide pour l'Expression de l'incertitude de mesure Supplément 2 (GUM S2) est suivi. L'incertitude du palpage (grandeur d'entrée) est évaluée au travers de mesures répétées, ce qui permet de calculer les incertitudes types, la covariance et la fonction de densité de probabilité (PDF). Cette incertitude inclue la machine (mesurandes), le palpeur et les incertitudes de l'artefact. De sorte à inclure la performance de la machine dans le bilan d'incertitude, les mesures répétées sont effectuées avec différentes conditions préalables de calibration (avec et sans cycle de réchauffement) sur 24 heures. À l'étape suivante de la recherche, les variations à court et moyen terme dans la mesurande sont analysées en exécutant des mesures répétées de SAMBA sur cinq jours. L'incertitude d'entrée est propagée aux paramètres géométriques de la machine grâce à la méthode de Monte Carlo (MCM). L'incertitude de sortie est estimée avec la structure d'incertitude complète (incertitudes types et covariance) et avec les incertitudes estimées étendues, et avec le facteur d'élargissement approprié pour un modèle à multiples sorties. Le cadre de travail général sur l'incertitude - une alternative au long processus de la MCM - est appliqué en utilisant le Jacobien et validé avec la MCM. Les recherches menées montrent que les résultats de calibration dépendent de la performance de la machine et de ses variations se produisant dans le temps et à cause de différentes conditions environnementales. Cet impact est montré par les différents types des incertitudes estimées.  ABSTRACT: Machine tool calibration is a critical process to maintain the machine precision and, therefore, the machining quality at the required levels. Different measuring methods and devices are used to acquire information about machine geometry. The calibration results are used to correct and compensate the machine errors. Thus, they should be evaluated through their uncertainty. In this thesis, the scale and master balls artefact (SAMBA) calibration method is evaluated through its uncertainty. Conducting SAMBA requires probing the uncalibrated artefact in different machine rotary axes indexations and the scale bar at least one. The calculated balls centers introduced in the machine kinematic model allow estimating the machine geometric error parameters (output quantity). The proposed uncertainty estimation method takes into account that the analyzed calibration has a multi-input multi-output model and an iterative solution, which prevents from applying traditional uncertainty estimation techniques. Thus, the Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement Supplement 2 (GUM S2) is followed. The probing (input quantity) uncertainty is estimated through the repeated measurement, which allows calculating its standard uncertainties, covariance and probability density function (PDF). This uncertainty includes the machine (measurand), probe and the artefact uncertainties. In order to include the machine performance in the uncertainty budget, the repeated measurements are conducted with different calibration pre-conditions (with and without the warm-up cycle) over 24 hours. In the next stage of research, the short- and medium-term variations in measurand are analyzed by conducting SAMBA repeated measurement over five days. The input uncertainty is propagated on the machine geometric error parameters through the Monte Carlo method (MCM). The output uncertainty is estimated with its full uncertainty structure (standard uncertainties and covariance) and expanded uncertainties estimated with the appropriate, for a multi-output model, coverage factor. The GUM uncertainty framework (GUF) - alternative to the time-consuming MCM - is applied using the numerical Jacobian and validated with MCM. The conducted research depicts that the calibration results depend on the machine performance and its variations occurring in time and due to the different environmental conditions. This impact is demonstrated by the different types of uncertainties estimated. That way the machine “behavior” is included in the calibration result, which alone reflects the machine state only at the moment of calibration.


identifier: Courteau-Godmaire, H. (2017). Simulation numérique de la formation des défauts dans la région des inserts de panneaux sandwich  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les panneaux sandwich à coeur en nid d'abeille sont utilisés dans les avions d'affaires pour leur bon rapport rigidité/masse. Ces panneaux sont recouverts d'un placage de bois, puis posés comme comptoirs, tables, cabinets et cloisons de toutes sortes. Pour assembler ces panneaux, des inserts borgnes sont fixés dans une cavité préalablement percée au coeur du panneau. Un adhésif époxyde est utilisé pour coller l'insert et transférer la charge mécanique entre le point d'attache et le panneau. La polymérisation de la résine époxyde est accompagnée d'un retrait chimique qui occasionne des déformations résiduelles sur la surface visible du panneau. Ces défauts ternissent le cachet luxueux de la cabine des avions d'affaires et occasionnent des réparations onéreuses. La problématique de cette recherche a dans un premier lieu été abordée d'un point de vue expérimental par une évaluation des méthodes de fabrication, la  caractérisation des matériaux et l'étude d'une variété de configurations de panneaux et d'inserts. En se basant sur ces travaux et en s'inspirant des recherches sur les contraintes résiduelles, un modèle numérique de la formation des défauts a été créé dans le cadre de ce mémoire. Ce modèle prend en compte les phénomènes thermiques, chimiques et mécaniques de la résine et du panneau composite. Le modèle a été paramétré et peut générer différentes géométries et conditions de simulations. Les configurations étudiées expérimentalement ont été simulées et ont permis de confirmer l'effet positif d'inserts plus long sur la gravité des défauts. Laisser une épaisseur de nid d'abeille au fond de la cavité a également permis de rigidifier la peau, mais gêne le remplissage complet de la cavité. Le remplissage partiel a aussi permis de diminuer la gravité des défauts en éliminant le contact direct de la résine avec la surface affectée. Les observations expérimentales proviennent d'une méthode de déflectométrie dans laquelle les courbures de la surface du panneau ont été relevées. Les résultats du modèle numérique ont fidèlement reproduit les observations expérimentales. Cependant, ces dernières sont de nature qualitative. En conséquence, une méthode de profilométrie a été utilisée pour quantifier quelques défauts. Une correspondance semi-quantitative a pu être établie entre ces relevés topographiques de la surface et les simulations. La forme des défauts était similaire, toutefois le modèle numérique en surestimait l'envergure. La sensibilité du modèle du retrait chimique et de la rigidification de la résine pourrait être en cause. Finalement, des configurations et des méthodes originales ont été simulées.  ABSTRACT: Sandwich panels with honeycomb core are widely used in business jet for their good stiffness to weight ratio. Those panels are covered with a thin wood veneer and are installed to serve as counters, tables, furniture and dividers of any types. To assemble the panels, blind inserts are fixed in a hole drilled beforehand in the core of the panel. An epoxy adhesive is used to glue the insert and transfer the mechanical load between the fastener and the panel. The curing of the epoxy resin induces chemical shrinkage, leading to residual deformations on the visible side of the panel. These defects tarnish the luxurious cachet of the interior of the business aircraft and cause expensive repairs. First, the problem was addressed with an experimental approach by evaluating the manufacturing methods, the material characteristic and by studying the response of a variety of configurations. Based on this work, and inspired by residual stress literature, a numerical model of the defect formation was developed. The model takes into account thermal, chemical and mechanical aspects, based mainly on resin properties. The model is parametric and can generate many different geometry and simulation conditions. Configurations studied experimentally were simulated and confirmed the positive effect of longer inserts on the defect appearance. Leaving part of the honeycomb at the bottom of the cavity also allowed the stiffening of the skin, yet it dampers the full filling of the cavity. Partial filling also decreased the defect severity by eliminating the direct contact between the resin and the surface of interest. Experimental observations came from a deflectometry method by which local curvatures of the surface were obtained. Results from the numerical model reproduced accurately the experimental trends. However, this type of experimental data was mainly qualitative. Consequently, a profilometer method was used to quantify the defects. A semi-quantitative match was established between surface topography and simulations. Defect shape were similar, however the numerical model overestimated the magnitude. The sensitivity of the chemical shrinkage and stiffening model could be involved. Finally, new configurations and original methods were simulated. The principal solution investigated here was the sequential curing of the resin in order to redirect the effects of cure shrinkage towards the hidden side of the panel. To do so, increasing heating on the visible side locally accelerated the chemical reaction. The other simulation was a two stage filling of the cavity, to allow the bottom to cure independently.


identifier: Gagné-Boisvert, L. (2017). Amélioration de la conception de systèmes de pompes à chaleur géothermiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes de pompes à chaleur géothermiques ont le potentiel de réduire la consommation énergétique des bâtiments ainsi que les émissions de gaz à effet de serre. Cependant, ces systèmes peuvent nécessiter un investissement initial plus important par rapport à des équipements de chauffage et de climatisation plus communs. Ils sont également complexes à concevoir et à simuler. Ce travail vise donc à améliorer la conception des systèmes géothermiques et à mieux comprendre leur fonctionnement afin de les dimensionner selon leur comportement réel et de prédire précisément leur consommation énergétique. Les circulateurs sont d'abord étudiés. L'étude présente des corrélations permettant de prédire leur rendement en fonction de la puissance hydraulique à fournir. Il ressort de cette étude que les circulateurs récents ont des rendements environ deux fois plus élevés que les anciens circulateurs. L'inclusion de la capacité thermique du fluide et du coulis a un impact notable sur le dimensionnement des puits géothermiques. En effet, les résultats de simulations utilisant un modèle de puits de type Thermal Resistance and Capacitance (TRC) indiquent que les longueurs de puits requises peuvent être sous-estimées jusqu'à 31% ou surestimées jusqu'à 24% par rapport à l'équation de dimensionnement de l'ASHRAE, qui néglige la capacité thermique des puits. Les antigels utilisés dans les puits affectent également les performances d'un système géothermique. La puissance de pompage, l'échange thermique dans les puits, la transition laminaire-turbulent et la capacité d'une thermopompe sont fonction du type et de la concentration d'antigel utilisé. Des simulations utilisant différents types d'antigel ont démontré que le méthanol est l'antigel le moins pénalisant et qu'un faible débit de 0.027 L/s-kW (1.5 usgpm/tonne) est à favoriser par rapport au débit courant de 0.054 L/s-kW (3 usgpm/tonne). Les faibles débits engendrent un écoulement laminaire occasionnel dans les puits, ce qui entraîne une baisse du transfert de chaleur. Cependant, cette baisse est compensée par une puissance de pompage plus faible. Finalement, un nouvel outil de simulation servant à évaluer la consommation énergétique des systèmes géothermiques à un ou deux tuyaux est proposé. Des études de cas ont démontré qu'un réseau à un tuyau nécessite jusqu'à 36% moins d'énergie de pompage qu'un réseau à deux tuyaux. Cependant, il consomme globalement jusqu'à 5% plus d'énergie à cause des températures d'entrée défavorables aux pompes à chaleur.  ABSTRACT: Geothermal heat pump systems have the potential to reduce building energy consumption and greenhouse gas emissions. However, these systems may require a larger initial investment compared to more common heating and cooling equipment. They are also complex to design and simulate. This work aims to improve the design of geothermal systems and to better understand their operation to size them according to their real behavior and to predict precisely their energy consumption. Circulators are studied first. The study presents correlations allowing an estimation of their efficiency as a function of the hydraulic power. It was found that the efficiency of recent circulators is about twice as high as those found in older circulators. Accounting for the fluid and grout thermal capacity has a significant impact on the sizing of geothermal boreholes. Simulation results using a Thermal Resistance and Capacitance (TRC) model indicate that the required borehole lengths may be underestimated by up to 31% or overestimated by up to 24% when compared to ASHRAE sizing equation, which neglects borehole thermal capacity. The antifreeze used in boreholes also affects the performance of a geothermal system. Pumping power, borehole heat transfer, laminar-turbulent transition and heat pump capacity depend on the chosen antifreeze type and concentration. Simulations using different types of antifreeze show that methanol is the least penalizing antifreeze and that a low flow rate of 0.027 L/s-kW (1.5 usgpm/ton) should be favored over the common flow rate of 0.054 L/s-kW (3 usgpm/ton). Low flows cause occasional laminar flow in boreholes, decreasing heat transfer. However, this reduction is offset by a lower pumping power. Finally, a new simulation tool for estimating the energy consumption of one- and two-pipe geothermal systems is proposed. Case studies have shown that a one-pipe network requires up to 36% less pumping energy than a two-pipe system. However, it presents an overall energy consumption up to 5% higher due to unfavorable heat pump inlet temperatures.