identifier: Bouslah, B. (2012). Contrôle de la production et de la qualité des systèmes manufacturiers non-fiables  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans les trois dernières décennies, plusieurs politiques de commande optimale stochastique ont été développées pour contrôler les systèmes de production à flux continu sujets aux phénomènes aléatoires. Les opérations après production tel que le transport et l'inspection de la qualité ont toutefois été peu considérées dans ces politiques. Ce mémoire de maîtrise s'intéresse plus particulièrement au problème de commande optimale stochastique des systèmes de production par lots dans un contexte de transport et de contrôle de la qualité par échantillonnage. Ces systèmes sont caractérisés par une dynamique complexe vu les multiples décisions de production et de qualité considérées et par un niveau stochastique élevé où les pannes, les réparations et la qualité effective du processus sont aléatoires. Les systèmes de production par lot dans tels contextes ne peuvent pas être représentés par les modèles de flux continu classiques.      Dans la première phase de ce mémoire, nous avons étudié le cas des systèmes de production par lots, non-fiables et parfaits, avec un délai de transport. Le problème est formulé sous forme d'un modèle de programmation dynamique stochastique. Les conditions optimales décrites par les équations Hamilton-Jacobi-Bellman sont résolus numériquement. Ensuite, une loi de commande stochastique sous-optimale basée sur une combinaison de la politique de contrôle à seuil critique modifiée et une politique du lot économique de production est ainsi obtenue. Une approche expérimentale basée sur la simulation est appliquée pour déterminer les valeurs optimales des paramètres de la loi de commande quelque soit la distribution des temps de pannes et de réparation. Dans la deuxième phase de travail, nous avons intégré le contrôle de la qualité en supposant que le système produit un pourcentage aléatoire d'items défectueux. Le problème est décrit par un modèle de programmation dynamique stochastique. Une heuristique de commande est proposée par extension de la politique de commande obtenue dans la première phase en prenant en compte les effets de l'imperfection de la production sur l'inventaire et sur la satisfaction de la demande. Des analyses de sensibilité  approfondies permettent d'observer les impacts des différents paramètres de coût et de qualité sur les paramètres optimaux de la politique de commande de la production.  ABSTRACT: In the past three decades, many stochastic optimal control policies have been developed to control the continuous-flow production systems to meet stochastic phenomena. However, operations such as transportation and quality inspection had been little studied in these policies. This master's thesis focuses on the stochastic optimal control problem of batch production systems in the context of transportation and quality control by sampling. These systems are characterized by a complex dynamic due to the many considered decisions of production and quality and by a high stochastic level where all breakdowns, repairs and process imperfection are random. The batch production systems in such contexts cannot be represented by the classical continuous-flow models. In the first part of the master's project, we studied the case of unreliable and perfect batch production systems with a transportation delay. The problem is formulated as a stochastic dynamic programming model. The optimality conditions described by Hamilton-Jacobi-Bellman equations are solved numerically. Then, a suboptimal stochastic control policy based on a combination of a modified hedging point policy and a state dependent economic manufacturing quantity policy is obtained. A simulation-based experimental approach is used to determine the optimal values of the control policy parameters when the failure and repair times follow general distributions. In the second part of the project, we integrated the quality control issue assuming that the system generates a random proportion of defective items. The problem is described by a stochastic dynamic programming model. A heuristic control policy is proposed by extending the control policy obtained in the first part, taking into account the effects of imperfect quality items on the inventory and demand satisfaction. A thorough sensitivity analysis shows interesting behaviours about the impact of various cost and quality parameters on the optimal parameters of the production control policy. Finally, some extensions of the two obtained control policies are proposed by integrating the concept of dynamic lot sizing and a control policy for inspection personnel management. The experiments have shown that these both extensions lead always to economic gains. Other extensions and further research are also discussed.


identifier: Courchesne Tardif, A. (2011). Conception et optimisation de systèmes énergétiques hybrides pour communautés durables  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: Les systèmes énergétiques hybrides combinent plusieurs sources d'énergie afin de répondre aux besoins de chauffage et de climatisation des bâtiments. Appliqués à l'échelle des communautés, ils permettent des améliorations en termes d'efficacité énergétique ainsi qu'une intégration croissante des énergies renouvelables. Le processus de design associé à ces systèmes est toutefois un problème relativement complexe, puisqu'il implique la nécessité de considérer à la fois les stratégies d'opération et le dimensionnement des composantes pour différentes configurations de systèmes. De plus, les contraintes et les possibilités propres à chaque projet doivent être prises en compte. Dans ce mémoire, une méthodologie relative à la conception de systèmes énergétiques hybrides à l'échelle de communautés a été développée. Cette méthodologie consiste en quatre étapes principales, soit l'évaluation de la demande énergétique de la communauté, l'évaluation préliminaire des options énergétiques et le choix d'un système, l'optimisation du système proposé et enfin l'analyse économique et environnementale du système. Cette méthodologie se base notamment sur l'utilisation de l'outil de simulation énergétique TRNSYS. L'application de la méthodologie à une étude de cas, soit le projet Petite Rivière, a permis d'évaluer cinq scénarios énergétiques et de guider le choix de l'équipe de conception vers un système géothermique hybride. Un modèle énergétique détaillé a ensuite été développé pour permettre l'optimisation du système géothermique hybride en tenant compte de l'augmentation de la demande énergétique dans le temps. L'évaluation de la performance énergétique du système énergétique hybride a permis de constater une diminution d'environ 30% de la consommation énergétique totale comparativement à un système conventionnel. Combinée à des mesures de performance au niveau des bâtiments, l'utilisation d'un système géothermique hybride pourrait engendrer des économies d'énergie totales de l'ordre de 64%. Le bilan environnemental du système proposé, évalué par rapport aux émissions de GES, est hautement dépendant du type de combustible utilisé dans les chaudières et de la référence utilisée pour calculer les émissions de CO2 associées à la consommation d'électricité.  ABSTRACT: Small-scale district heating and cooling systems represent an interesting way to build energy-efficient systems and to increase the use of renewable energy for building heating and cooling purposes. However, the many available energy sources and the different ways of using them result in numerous design options. Optimizing these hybrid systems requires considering operating strategies concurrently to system configuration and component sizing, and this process must take into account the constraints and opportunities of each individual project. A four-step methodology for designing hybrid energy systems at the community scale has been developped in this study. First, a method is proposed to evaluate the community energy demand. Then, a TRNSYS model was developed to assess multiple energy supply scenarios. This model was then refined in order to optimize operating strategy and component sizing for a chosen scenario. Finally, an economic and environmental analysis was conducted. The above methodology was applied for a community-scale district heating scheme in a real-life development project called Petite Rivière. Five energy supply scenarios were assessed, leading to the choice of a hybrid ground source heat pump system. A detailed TRNSYS model taking into account the evolution of the community's energy demand was then used to optimize the chosen system. The results show that a 30% reduction in energy consumption can be achieved with the hybrid ground source heat pump system compared to a conventional heating system. When combined to energy-efficiency improvements at the building scale, the total energy consumption for the community can be reduced by as much as 64%. The study of the environmental impact of the proposed system, measured in terms of CO2 emissions, shows variable results according to the type of fuel used in boilers (natural gas or biogas) and to the reference used for calculating CO2 emissions for electricity. The economic analysis showed that implementing a hybrid ground source heat pump system for the Petite Rivière community was not feasible without significant subsidies.


identifier: Schmidt, N. (2011). Étude sur la transition de phase ferromagnétique/paramagnétique de nanoagrégats de MnP  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La transition de phase entre les états ferromagnétique et paramagnétique de structures composées de nanoagrégats de MnP est ici étudiée. Il a été démontré auparavant que des épicouches de nanoagrégats magnétiques de MnP imbriqués dans une matrice semiconductrice de GaP (GaP:MnP) possèdent une aimantation rémanente au-delà de la température de Curie TC de 291 K du MnP massif. La provenance de cet écart, résultant en un décalage dans la courbe d'aimantation spontanée vers des températures plus élevées, n'est pas tout à fait connue. Plusieurs échantillons ont été fabriqués afin d'analyser qualitativement l'effet des contraintes induites par la matrice de GaP et de la réduction de la taille des nanoagrégats sur cette transition de phase ferromagnétique/paramagnétique: 1) GaP:MnP crus à 600, 650 et 700◦C sur des substrats de GaP(001), 2) couches minces de MnP polycristallines d´eposées sur des substrats de GaP(001) à 550, 600, 650 et 700◦C, 3) couche mince de MnP polycristalline d´eposée sur du verre à 600◦C, 4) nanoagrégats de MnP créés par ablation laser encastrés dans une matrice de polystyrène (Ps:MnP) et 5) monocristal de MnP massif emprunté de chercheurs de l'Université Carnegie Mellon. Le MnP massif sert d'étalon lors de la détermination des températures de Curie. Les Ps:MnP ont été fabriqués par l'ablation par laser femtoseconde avec des puissances de 100, 160, 175 et 200 mW de couches minces de MnP d´eposées sur verre ainsi qu'avec une puissance de 200 mW sur un monocristal , créant différentes distributions de taille et de forme des nanoagrégats. La géométrie, la composition et la structure cristalline de ces nouveaux types de matériau ont été vérifiées par XRD, SEM, TEM et EDS. Les températures de Curie de ces échantillons ont été déduites par cinq méthodes expérimentales. La première, probablement la plus usuelle et la plus citée de toutes, est la méthode du point d'inflexion. Un champ magnétique est appliqué et la température est graduellement variée. TC est établie comme étant la température où un point d'inflexion est présent dans la courbe d'aimantation résultante. La deuxième est la méthode de Smith qui d´etermine l'aimantation spontanée par des courbes d'aimantation isothermiques selon l'axe facile d'un échantillon. L'aimantation spontanée est alors le point où la courbe quitte la droite initiale de désaimantation causée par le mouvement des parois de domaine. L'aimantation spontanée en fonction de la température est ensuite utilisée pour trouver la transition de phase puisqu'elle atteint théoriquement une valeur nulle de manière abrupte à TC. La méthode d'Arrott se sert de la partie linéaire des aimantations élevées au cube en fonction du champ appliqué pour plusieurs températures afin de déterminer TC. L'isotherme dont l'extrapolation des points suivant une droite passe part l'origine est la température de Curie. Quatrièmement, l'aiman  ABSTRACT: The phase transition between the ferromagnetic and paramagnetic states, occurring at the Curie temperature TC, of samples composed of MnP nanoaggregates has been studied. It has been shown previously that MnP magnetic nanoaggregates embedded in GaP semiconductive epilayers (GaP:MnP) present a remanent magnetization above the Curie temperature of bulk MnP, generally accepted as 291 K. The reason for this increase, resulting in a shift toward higher temperatures in the spontaneous magnetization curve, is however not well understood. A range of samples presenting a certain distribution of strain induced by the matrix and of size of the aggregates were produced for the study of these effects on TC: 1) GaP:MnP grown at 600, 650 and 700◦C, 2) polycrystalline MnP thin layers deposited at 550, 600, 650 and 700 ◦C on GaP(001) substrates, 3) a polycrystalline MnP thin layer grown at 600◦C on glass, 4) laser ablated MnP nanoaggregates in a polystyrene matrix (Ps:MnP) and 5) monocrystalline bulk MnP kindly lent by researchers at Carnegie Mellon University. The bulk MnP was used as a reference during the Curie temperature determination. Ps:MnP was produced by femtosecond laser ablations with powers of 100, 160, 175 and 200 mW from MnP films grown on glass, and at 200 mW from bulk MnP, resulting in different size and form distributions. The geometry, composition, crystalline structure and aggregate size distribution of these novel materials were analyzed by XRD, SEM, TEM and EDS. The Curie temperatures of the samples were obtained from the systematic application of five different experimental methods. The first, probably the simplest and most quoted in the research literature, is based on the inflection point in the curve of the magnetization in an applied field vs temperature occurring approximately at TC. The second is Smith's method which determines the spontaneous magnetization from isothermical magnetization curves with the magnetic field applied in the easy axis direction. The spontaneous magnetization is then defined by the point where the curve branches off the initial linear demagnetization slope caused by the movement of the domains walls. The curve of the spontaneous magnetization as a function of the sample temperature, theoretically falling abruptly at TC for bulk materials, is then used to find the phase transition. The third, Arrott's method, is based on an expansion of the magnetization as a function of the internal field in the vicinity of TC. The predicted linear relationship between the third power of the magnetization as a function of the field will pass through the origin for the isotherm corresponding to TC. The fourth one is based on the easy axis fallback remanence method, a new way to determine the effective spontaneous magnetization of monodomain samples. The last uses from the magnetocaloric effect, in which a local extremum of entropy change at the transition temperature is expected for a


identifier: Ouaziz, G. (2011). Test accéléré de corrosion alternatif au brouillard salin selon la norme ASTM B117  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Un test de corrosion accélérée est généralement défini comme étant une méthode qui évalue la performance de résistance à la corrosion, de métaux et de revêtements, et dont les résultats sont obtenus après une période de temps plus courte qu'avec une exposition naturelle.  Les tests de corrosion accélérée sont essentiels pour le développement et la qualification de nouveaux matériaux, revêtements et traitements de surface. Cependant, pour une multitude de matériaux et revêtements utilisés dans l'industrie aéronautique, ces tests sont peu fiables et échouent dans la reproduction de la performance de résistance à la corrosion obtenue dans les essais d'exposition extérieure à long termes ou même sous les conditions de service. Ce manque de précision a mené à une forte dépendance aux essais d'exposition à longs termes. Le brouillard salin suivant la procédure ASTM B117 est l'un des tests accélérés de corrosion, les plus fréquemment utilisés, notamment pour évaluer la résistance à la corrosion des alliages d'aluminium. Cette méthode peut durer plusieurs centaines d'heures, en  plus d'être l'objet de multiples controverses dans la littérature.  Malgré ses limitations connues telles que la lenteur, le coût et la subjectivité, le test du brouillard salin est considéré comme une référence dans le milieu aéronautique. Voilà pourquoi, Bombardier Aéronautique, leader dans le domaine de la construction aéronautique et entreprise d'accueil de cette maîtrise en milieu industriel, a proposé de mener un projet de recherche expérimentale en collaboration avec l'École Polytechnique de Montréal. L'objectif de ce projet étant le développement d'un test en mesure d'évaluer la capacité de différents alliages d'aluminium anodisés à résister à la corrosion en outrepassant les limites du test du brouillard salin. Pour Bombardier Aéronautique, l'intention première n'est pas de remplacer le test du brouillard salin mais plutôt d'élaborer une méthode alternative qui permettra de prédire la réussite ou l'échec des tests au brouillard salin.  La méthode dite alternative doit être simple, objective et rapide. Elle doit permettre d'évaluer la qualité du fini de l'aluminium avec anodisation à l'acide chromique et les spécifications relatives au revêtement et aux coupons de test sont fournies par l'entreprise.  Afin de satisfaire les requis de Bombardier Aéronautique, le choix s'est porté sur le « cathodic breakdown test » CBT parmi l'ensemble des méthodes électrochimiques. Le CBT semble être la méthode la plus prometteuse et avec le plus de chance de corrélation avec le brouillard salin. Par ailleurs, le CBT est une des méthodes électrochimiques spécialement conçues pour l'évaluation des revêtements d'anodisation sur l'aluminium et ses alliages.  Le CBT a été utilisé dans l'industrie aéronautique pendant une quinzaine d'années (entre 1978 et 1993), au moins, sur une base informelle, pour évaluer les variations du procédé d'anodisation à l'acide chromique. Les données collectées se sont avérées suffisamment prometteuses pour considérer l'évaluation de la corrélation entre les résultats du CBT et ceux du test du brouillard salin sur une base échec/réussite. Une méthode expérimentale, discutée dans la littérature, a été mise en place pour évaluer la résistance à la corrosion d'un revêtement d'anodisation à l'acide chromique typique.  À terme,  63 tests ont été conduits et des paramètres et critères de corrélation ont été établis.  L'application de ces critères a permis d'identifier  correctement les échecs au brouillard salin : les échantillons qui échouent au CBT, échouent aussi au brouillard salin. L'auteur a conclu que le CBT montrait une assez bonne corrélation avec le brouillard salin.  À cet égard, le CBT n'étant pas standardisé et ne faisant l'objet d'aucune procédure approuvée, détaillée et claire, dans la littérature, le présent mémoire se consacre à développer une méthode expérimentale complète pour la réalisation du CBT, à étudier la corrélation entre les résultats du CBT et ceux du brouillard salin, à discuter la précision des critères et paramètres de corrélation présentée dans la littérature et finalement, à évaluer le CBT en tant qu'outil de contrôle de la qualité dans l'industrie aéronautique. L'étude du CBT sera basée sur les matériaux aéronautiques industriels, et sera centrée sur les revêtements d'anodisation à l'acide chromique sur l'aluminium avec une large gamme de colmatages. Ultimement, une nouvelle méthode d'évaluation de la performance de résistance à la corrosion, outrepassant les limites du brouillard salin, sera présentée (10 minutes pour le CBT versus 336 heures pour le brouillard salin). L'examen des résultats obtenus a démontré que le paramètre de corrélation, CBTcombined, augmente avec le temps de test au brouillard salin à l'échec et que le CBT est très sensible à la qualité du colmatage de l'échantillon testé. Le CBT est alors identifié comme un outil en mesure de prédire les échecs au brouillard salin et peut donc être utilisé à cette fin chez Bombardier Aéronautique. L'intégration du CBT en tant que test alternatif au brouillard salin permettrait une réduction considérable des tests au brouillard salin, offrirait des gains de temps considérables et des données quantitatives objectives. Cependant, une réévaluation des critères et paramètres de corrélation, est nécessaire avant de considérer le CBT comme outil efficace de contrôle de la qualité, de manière indépendante.  ABSTRACT: An accelerated corrosion test is generally defined as a method that assesses the performance of metals and coatings and the results are obtained after a period of time shorter than with natural exposure. The accelerated corrosion tests are essential for new materials, coatings and surface treatments development and qualification. However, for a variety of materials and coatings used in the aviation industry, these tests are unreliable and fail to reproduce the performance of corrosion resistance obtained in tests of long-term outdoor exposure or even under in service conditions. This lack of precision led to a heavy reliance on long-term exposure tests. The salt spray test, such as defined by ASTM B117, is one of the most widely used proof tests for evaluating corrosion protection provided by organic and inorganic coatings on metals, including aluminum alloys, and is frequently quoted in specifications as a quality control tool. This method can take several hundred hours, in addition to being the subject of many controversies in the literature. Despite its known limitations such as time, costs and subjectivity, the salt spray test is considered a reference in the aerospace industry. Explaining why, Bombardier Aerospace, a leader in the aircraft construction field and host company for this master degree, proposed to conduct an experimental research project in collaboration with the “École Polytechnique de Montréal”. The scope of this project is to develop test able to assess the ability of different anodized aluminum alloys to resist corrosion attack by overstepping salt spray test limits. For Bombardier Aerospace, the intent is not to replace the salt spray test but rather to develop an alternative method that will predict salt spray pass or failure. The alternative method must be simple, objective and fast. It should be able to assess finished aluminum alloys, with chromic acid anodizing, quality. Coating specifications and test coupons are provided by the company.  To meet Bombardier Aerospace requirements, the "Cathodic Breakdown Test" CBT among all electrochemical methods was chosen. The CBT appears to be the most promising test and the most likely to correlate with salt spray test. Moreover, CBT is a specially designed electrochemical method for evaluating anodized coatings on aluminum and aluminum alloys. The CBT has been used in the aeronautical industry for about 15 years (from 1978 to 1993), at least, on an informal basis to evaluate process shifts of chromic acid anodized aluminum coatings [1]. The collected CBT data appeared promising enough to evaluate the correlation between this test results and the salt spray data on a pass/fail basis. An experimental method was put in place to evaluate the corrosion resistance performance of a typical chromic acid anodizing process. At the end, 63 tests were conducted and correlation parameters and criteria were established. Their use allowed an accurate prediction of salt spray failure: samples that failed CBT, also failed in salt spray. The author concluded that the CBT results correlate well with those of the salt spray. The CBT, not being a standardized test and lacking approved methodology in the literature, this work is devoted to develop a complete experimental procedure for cathodic breakdown testing, to study the correlation between CBT and salt spray testing results, to discuss the accuracy of the correlation parameters presented in the literature, and finally, to evaluate the CBT as useful quality control tool in the aerospace industry. This study will be based on aerospace industrial materials, and will focus on chromic acid anodizing coatings with a large range of sealing performances.  Ultimately, a new testing method of corrosion performance, overcoming salt spray limitations, will be presented (10 minutes for CBT versus 336 hours for salt spray).  Data examination showed that the CBTcombined parameter increases with the salt spray test time to fail, and that the CBT is very responsive to the sealing quality. Thus, the CBT is identified as a tool with the ability to predict failures in salt spray cabinet and could be use for this aim at Bombardier Aerospace's locations. The CBT integration as an alternate test to salt spray would allow a considerable reduction of salt spray testing, deliver great time savings and provide objective quantitative data. However, re-evaluating correlation criteria and parameters is necessary to qualify the CBT as a standalone quality control tool.


identifier: Bouffard, J. (2012). Dynamique d'écoulement et pellétisation dans un granulateur à rotor  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Cette thèse propose différentes approches permettant de quantifier l'évolution de la dynamique d'écoulement particulaire dans un procédé de granulation et évaluer son impact sur celui-ci.  Plusieurs types d'équipement permettent d'effectuer la granulation. Pour ce travail, un granulateur à rotor a été sélectionné puisqu'il permet de produire un écoulement de particules relativement simple à caractériser. Le choix de ce granulateur a aussi été basé sur le fait qu'il a été très peu étudié par rapport aux mélangeurs à cisaillement élevé ou les lits fluidisés. Le sujet de cette thèse est approché selon trois angles différents : • La caractérisation et la quantification des patrons d'écoulement et de ségrégation particulaire dans un sphéroniseur modifié (granulateur à rotor); • Le développement d'une méthode originale qui permet de contrôler l'intensité des forces interparticulaires dans un écoulement de particules à l'intérieur d'un sphéroniseur modifié; • Le développement d'un modèle multi-échelle prenant en compte le mouvement des particules afin de prédire la distribution de taille granulaire dans un procédé de granulation à rotor. Dans un premier temps, l'étude d'un écoulement dense d'un mélange de particules de 2 et 4 mm dans un sphéroniseur est effectuée. Pour y arriver, l'emploi d'une méthode par éléments discrets (DEM), une méthode numérique basée sur la seconde loi de Newton, permet de caractériser le déplacement des particules à l'intérieur de l'équipement. Le mélange des particules est analysé à l'aide d'indices de mélange ayant été développés par Doucet et al. (2008) afin de caractériser la ségrégation se produisant dans le domaine de particules. Cette partie du travail permet de montrer que le niveau de remplissage ainsi que la vitesse du disque (rotor) ont un effet significatif sur le phénomène de ségrégation observé. Pour des vitesses de disque variant entre 20 et 100 rad/s, le lit de particules prend la forme d'un tore où deux zones distinctes de ségrégation sont apparentes. Au fur et à mesure que la vitesse du disque augmente, les petites particules ont tendance à migrer de la zone localisée au centre du domaine toroïdal vers la deuxième zone localisée à la paroi du sphéroniseur. Les coefficients de corrélation spatiale employés pour le calcul de l'indice de mélange corroborent cette migration des petites particules. De plus, l'importance de prendre en compte l'intensité du cisaillement pour expliquer ces patrons de ségrégation est aussi exposée. Les deux zones de ségrégation associées à une concentration élevée de petites particules correspondent à l'emplacement où les taux de cisaillement sont les plus faibles. D'un autre côté, une corrélation considérant le niveau de cisaillement est développée afin de prédire le profil des vitesses azimutales des particules dans le sphéroniseur. Cette corrélation permet d'améliorer sensiblement la prédiction des profils de vitesses lorsque l'intensité du cisaillement est élevée.  La deuxième partie de cette thèse présente le développement d'une nouvelle approche qui permet de simplifier l'introduction et le contrôle des forces interparticulaires de manière homogène dans un lit de particules en mouvement. Cette approche utilise un copolymère de PEA/PMMA qui, lorsqu'il est soumis à une augmentation de température au-dessus de sa température de transition vitreuse, cause l'apparition de forces cohésives entre des particules qui en sont enrobées. La relation entre les forces interparticulaires induites par le copolymère et l'écoulement des particules enrobées est établie avec l'aide d'un appareil de mesure de surface, plus communément appelé surface force apparatus (SFA). Cet équipement met en évidence l'augmentation linéaire des forces interparticulaires entre 10°C et 50°C. Les forces interparticulaires induites par cette nouvelle approche, comparées avec d'autres types de forces fréquemment rencontrées dans les procédés de granulation, permet de mettre en valeur la large étendue d'intensité de cohésion pouvant être obtenues. Par la suite, l'écoulement de particules cohésives est étudié pour deux applications différentes. La première application considère un écoulement dense de particules normalement observé pendant la granulation humide à l'intérieur d'un sphéroniseur modifié. La deuxième application montre la possibilité de pouvoir reproduire l'écoulement des particules observées dans les lits fluidisés à haute température avec l'avantage de pouvoir les opérer près de la température ambiante.   La troisième partie de cette thèse utilise spécifiquement la méthode d'introduction des forces interparticulaires précédemment proposée afin de caractériser les écoulements de particules cohésives dans un sphéroniseur modifié. En contrôlant le niveau d'intensité des forces interparticulaires, quatre différents états d'écoulement sont obtenus. Le premier état est caractérisé par un écoulement libre des particules, lequel est observé près de la température ambiante. Le deuxième état est associé à l'apparition d'agglomérats à la surface du lit de particules, lesquels augmentent de taille à mesure que la température est haussée. Le troisième état fait référence à la formation d'une seconde couche de particules agglomérées dont le volume change de manière périodique en fonction du temps. Le quatrième état est caractérisé par un écoulement en masse produit par l'agglomération quasiment complète des particules. L'emploi d'un profileur laser permet de quantifier les différents états d'écoulement en mesurant la forme du tore obtenu ainsi que la variabilité de la position du profil de la surface du lit de particules. À la suite des résultats obtenus, un diagramme des états d'écoulement est construit. Ce diagramme montre le potentiel de cette approche pour imiter les écoulements cohésifs propres aux procédés de granulation humide. En conséquence, il est recommandé que la granulation humide soit opérée dans des conditions permettant d'obtenir le deuxième état d'écoulement décrit précédemment. Ceci est expliqué par le fait que les forces interparticulaires permettent d'induire la formation d'agglomérats sans toutefois nuire au mélange granulaire qui est essentiel pour obtenir un produit homogène. La quatrième partie de cette thèse utilise un modèle multi-échelle qui fait intervenir un bilan de population résolu à l'aide d'une méthode de Monte-Carlo commandée par événement. Ce bilan de population est utilisé pour simuler la granulation humide dans un sphéroniseur modifié. Il prend en compte l'échelle particulaire en considérant trois mécanismes de granulation qui sont le mouillage des particules, la coalescence et le bris. D'autre part, à l'échelle du granulateur, l'intégration du mouvement granulaire est prise en compte à l'aide d'une compartimentation du lit de particules. À l'aide d'une approche utilisant une chaîne de Markov à temps continu, les mouvements de particules entre les zones peuvent alors être considérés. La construction des propriétés de la chaine de Markov, soient le temps de séjour dans les zones et la matrice indiquant la probabilité de transition des particules entre celles-ci, est effectuée grâce aux résultats ayant été obtenus à l'aide de la DEM dans la première partie de cette thèse. Une fois le modèle multi-échelle mis en place, celui-ci est comparé à un modèle utilisant un bilan de population qui ne tient pas compte du déplacement des particules. Les résultats de simulation obtenus sont comparés aux expériences de granulation afin de voir les améliorations obtenues avec le modèle multi-échelle. Il apparaît que pour des conditions où le taux de mouillage est modéré, la considération du mouvement des particules permet d'améliorer les résultats de la modélisation. La distribution de taille des particules en fonction du temps correspond mieux à la tendance observée expérimentalement qu'avec un bilan de population conventionnel. Par contre, pour un taux de mouillage élevé, le modèle multi-échelle et le bilan de population conventionnel donnent sensiblement les mêmes résultats.  ABSTRACT: This thesis proposes different approaches to quantify particle flow dynamics effects for granulation processes. Different types of granulation equipment exist. The rotor granulator has been selected for the simplicity of its design which produces easy to characterize particle flow patterns. The rotor granulator has also several advantages of the high shear mixers and fluid bed granulators but it has not been extensively covered in the literature compared to these granulators. The particle flow dynamics in the rotor granulator is investigated following three different points of view:  • The characterization and quantification of the flow and segregation patterns in a modified spheronizer, which is similar to a rotor granulator;  • The development of a new approach to control the intensity of the interparticle forces within the particle flow inside a modified spheronizer; • The development of a multiscale model which takes into account the motion of particles in order to predict the particle size distribution during granulation with a modified spheronizer. The first part of this thesis studies the dense granular flow of a 2 and 4 mm particle blend inside a spheronizer. The use of the discrete element method (DEM), a particulate model that can simulate the particle motion based on Newton's second law of motion, allows characterizing the particle flow behavior inside the equipment. The particle mixedness state is assessed with the help of mixing indexes that have been developed by Doucet et al. (2008) in order to quantify the segregation occurring inside the particle bed. This study shows that the fill level and the disc rotational speed have a significant impact on the segregation phenomena observed. For a disc speed varying between 20 and 100 rad/s, the particle bed takes the form of a torus within which two distinct segregation zones are observed.  As the disc speed increases, the small particles tend to migrate from a zone located at the center of the torus toward another zone which is observed near the spheronizer wall. This transfer of small particles is confirmed by the coefficients of correlation used by the mixing index, which relate the particle size and spatial coordinates. Moreover, the distribution of the shear rate in the particle domain explains the appearance of the segregation patterns. The two zones characterized by a high concentration of the smallest particles are correlated with the areas of the particle bed associated to a low shear rate. On the other hand, a correlation which considers the shear rate was developed to predict the azimuthal speed of the particles inside the spheronizer. This correlation improves the velocity profile predictions when the particle flow is characterized by high shear rate values.  The second part of this thesis develops a new approach to incorporate and control interparticle forces homogeneously in the context of particle flow applications. This approach uses particles coated with a PEA/PMMA copolymer. When submitted to an increase of temperature above the copolymer glass transition state, the interparticle forces increase. A relationship between the interparticle forces created by the copolymer and the flow of coated particles is characterized with a surface force apparatus (SFA). This equipment shows that the cohesion forces increase linearly when the temperature in incremented from 10°C to 50°C. The interparticle forces obtained are in the same range as other common forces encountered frequently in granulation processes such as the capillary and the van der Waals forces. The flow behavior of the cohesive coated particles is applied to two different applications. The first application considers a dense particle flow normally encountered during a wet granulation with a modified spheronizer. The second application shows the possibility to mimic the particle flow behavior that would be obtained in high temperature fluidized beds but with the advantage of operating them near ambient conditions.  The third part of this work uses the polymer coating approach proposed in the second part of the thesis to characterize the flow behavior of cohesive particles inside a modified spheronizer. By controlling the level of intensity of interparticle forces with the increase of temperature, four different flow states are observed. The first state is characterized by a free-flowing behavior of the particles, which is observed near ambient temperature. The second flow state is associated with the appearance of agglomerates at the surface of the torus of particles. These agglomerates increase in size as the temperature is incremented within this state. The third flow state refers to the appearance of a secondary layer formed by agglomerated particles the volume of which changes periodically with respect to time. The fourth state is characterized by a solid mass motion of the particle bed which is produced following the complete agglomeration of the particles. The use of a laser profiler helps to quantify the particle flow behavior observed for the different flow states by measuring the torus shape obtained and the variability associated with the surface profile position. These results help to construct a flow map representing the different flow behaviors observed. The flow map shows the potential use of the polymer coating approach to mimic the interparticle forces observed in wet granulation applications. Based on this flow map, it is shown that it is preferable to operate the wet granulation processes within the second flow state. This is explained by the fact that interparticle forces in this flow state induce the formation of agglomerates without preventing a good particle mixedness state that ensures the production of a uniform product.  The fourth part of this thesis develops of a multiscale model based on an event-driven Monte-Carlo based population balance. It is used to simulate wet granulation in a modified spheronizer. The model takes into account the particle scale with three different granulation mechanisms, which are the wetting, the coalescence and the breakage of the particles. On the other hand, the granulator scale integrates the particle motion with a compartmental approach which divides the particle bed into different zones, each of which is associated with a granulation mechanism. The use of a continuous-time Markov chain allows representing the motion of the particles between the different zones. The properties of the Markov chain, which are the residence time in the different zones and the matrix containing the probabilities of transition between the zones, are built with the DEM simulation results of the particle flow in the spheronizer presented in the first article. Once the multiscale model is defined, it is compared to a conventional population balance that does not take into account particle motion. These two population balance models are then tested against granulation experiments with the modified spheronizer. The results show that for a low spray rate, the multiscale model improves results obtained with the conventional population balance without motion.  On the other hand, the multiscale model and the conventional population balance give similar results when the spray rate is high. In this case, the granulation mechanisms overcome the effect of the particle flow pattern and the advantage of the proposed multiscale model is less apparent.


identifier: Lefebvre, A. (2011). Applicabilité du modèle d'analyse quantitative du risque microbiologique de Santé Canada aux installations de traitement d'eau potable de la région de Montréal  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les dernières recommandations concernant la qualité de l'eau potable favorisent l'adoption d'une approche à barrières multiples pour assurer la salubrité de l'eau potable. Cette approche vise l'évaluation de tout le système, de l'eau brute au consommateur en passant par les procédés de traitement et le réseau de distribution. L'analyse quantitative du risque microbiologique (QMRA) est utilisée dans le cadre de l'approche à barrières multiples. Cet outil permet d'estimer le risque sanitaire relié à l'exposition à des microorganismes pathogènes via l'eau potable en utilisant les données relatives à la qualité microbiologique des eaux brutes et des procédés de traitement. Le QMRA présente l'avantage d'être spécifique à l'installation étudiée. Le QMRA est de plus en plus utilisé à travers le monde. En Hollande, par exemple, la mise en oeuvre du QMRA est exigée par la réglementation en vigueur. Santé Canada a développé un modèle QMRA qui permet d'estimer le risque pour la santé humaine que représente l'exposition à 5 microorganismes pathogènes : Cryptosporidium, Giardia, rotavirus, E. coli O157:H7 et Campylobacter. Ce modèle sera offert à moyen terme aux exploitants d'installations de traitement d'eau potable. L'objectif principal du projet est d'évaluer l'applicabilité du modèle QMRA élaboré par Santé Canada. Pour ce faire, le modèle a été appliqué pour l'année 2009 à 9 installations de traitement d'eau potable de la région de Montréal : Atwater, Charles-J. Des Baillets, Pointe-Claire, Dorval, Lachine, Pierrefonds, Chomedey, Pont-Viau et Sainte-Rose. En premier lieu, la qualité microbiologique des eaux brutes de la région de Montréal a été caractérisée. Une saisonnalité est observée pour la concentration des coliformes thermotolérants  - E. coli à l'eau brute. La contamination par coliformes thermotolérants - E. coli est plus faible durant la période estivale pour toutes les installations à l'exception de l'installation Atwater où une élévation est observée qui est possiblement causée par le canal de l'aqueduc. Pour une installation de traitement donnée, l'étendue des données pour la concentration de coliformes thermotolérants - E. coli varie sur 2 à 3 ordres de grandeur et ce, indépendamment du niveau de contamination moyen des eaux. Une différence de 1 à 2 log au niveau de la concentration moyenne de coliformes thermotolérants - E. coli est observée entre les différentes installations de traitement d'eau potable. La plus faible concentration est retrouvée à Charles-J. Des Baillets (6,9±9,2 UFC/100mL) et la concentration la plus élevée à Sainte-Rose (238±254 UFC/100mL).  ABSTRACT: The current drinking water quality guidelines encourage the adoption of a multiple-barriers approach to ensure production of safe drinking water. This approach encompasses the assessment of all steps in water supply from source water to consumer. The quantitative microbial risk assessment (QMRA) is a part of the multiple-barriers approach. With this tool, we can estimate the risk related to pathogens in drinking water by using source water quality and water treatment data. The QMRA approach provides site-specific information. QMRA is increasingly being applied by different organizations all around the world. For example, in the Netherlands, water suppliers must conduct a site-specific QMRA on all surface water suppliers. Health Canada has developed a QMRA model that estimates the level of risk to human health from exposure to 5 pathogens: Cryptosporidium, Giardia, rotavirus, E. coli O157:H7 and Campylobacter. This model will be offered in the medium term to drinking water suppliers. The main objective of this project is to evaluate the applicability of Health Canada QMRA model. In order to do it, the model has been applied in 2009 to 9 water treatment plants (WTPs) in the region of Montreal: Atwater, Charles-J. Des Baillets, Pointe-Claire, Dorval, Lachine, Pierrefonds,Chomedey, Pont-Viau and Sainte-Rose. First, the source water quality of the region of Montreal has been evaluated and characterized. A few years of microbial data have been collected. Seasonality has been observed for the concentration of thermotolerant coliforms –E. coli at source water. The contamination by thermotolerant coliforms – E. coli is lower in summer for all WTPs except Atwater WTP where an increase has been observed and potentially caused by the canal de l'aqueduc. For a WTP, the data for thermotolerant coliforms – E. coli vary over 2 to 3 orders of magnitude independently of the contamination level. There is a difference of 1 to 2 orders of magnitude between the concentrations of thermotolerant coliforms – E. coli of the different WTPs. The lowest concentration has been found at Charles-J. Des Baillets WTP (6,9±9,2 CFU/100mL) and the highest concentration at Sainte-Rose WTP (238±254 CFU/100mL). The analysis of the data showed that in general the microorganism concentrations of the source waters of Montreal above the detection limit fit a log-normal distribution except for high concentrations of thermotolerant coliforms at Atwater WTP. If the pathogen concentrations are unknown, the model suggests default values.


identifier: Sun, S. (2011). Seismic velocities, anisotropy and elastic properties of crystalline rocks and implications for interpretation of seismic data  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La connaissance des propriétés sismiques et élastiques des roches cristallines polyphasées à haute pression et haute température est nécessaire pour interpréter les données sismiques (profils sismiques réflexion et réfraction, fonctions télésismiques, tomographie) en termes de lithologie, de minéralogie et d'état physique ainsi que pour établir des modèles lithologiques et structuraux de la lithosphère. La présente étude vise à mieux comprendre comment les propriétés sismiques et élastiques (vitesses sismiques en compression et en cisaillement (Vp et Vs), anisotropie,paramètres élastiques) en fonction de la pression de confinement varient avec la composition minéralogique et chimique, la microstructure, l'orientation préférentielle des réseaux cristallins (‘lattice preferred orientation': LPO), et la géométrie et l'état des microfissures. Cette thèse, se compose de six chapitres. Le Chapitre 1 aborde les propriétés sismiques des roches, en se concentrant sur les concepts d'élasticité et des règles mélange, et en donnant un aperçu sur des statistiques relatives aux données sismiques pour divers types lithologiques et pour des minéraux cardinaux, et ce, en relation avec les séismes dans la croûte continentale et la partie supérieure du manteau. Le Chapitre 2 traite des propriétés sismiques et élastiques mesurées à des pressions hydrostatiques allant jusqu'à 800 MPa pour 12 échantillons représentatifs du complexe du Longmen Shan, siège du grand séisme de Wenchuan en 2008. La plupart des échantillons montrent peu d'anisotropie Vp ou Vs à des pressions supérieures à la pression de fermeture des microfissures (Pc = 200-300 MPa). La variation de l'anisotropie en fonction de la pression fournit des indications importantes sur l'orientation préférentielle des microfissures dans le régime nonlinéaire poroélastique en dessous de Pc. Les profils rhéologiques et géothermiques indiquent que la profondeur au foyer (~19 km) correspond à la base de la schizosphere, niveau en dessous duquel le complexe du Longmen Shan passe d'un comportement fragile à un comportement ductile.  ABSTRACT: The knowledge of seismic and elastic properties of polyphase crystalline rocks under high pressure and temperature conditions is fundamental in interpreting in-situ seismic data (e.g., reflections, refractions, received functions, and tomography). These data may be understood in terms of lithology, mineralogy, and physical state and as such they allow establishing lithospheric structure and composition models of continents. The present study aims to better understand how the seismic and elastic properties [e.g., compressional- and shear-wave velocities (Vp and Vs), anisotropy, and elastic parameters] under confining pressure are affected by modal and chemical compositions, microstructures, lattice preferred orientations (LPO) of rocks and by the geometry and state of microcracks. This thesis consists of six chapters. Chapter 1 addresses the framework of rock seismic property studies, focusing on the concepts of elasticity and mixture rules, and providing an overview on results of statistical analysis on previous laboratory-measured seismic data of different lithologies and rock-forming minerals, and on the seismic anisotropy of the continental crust and upper mantle. Chapter 2 deals with seismic and elastic properties measured at hydrostatic pressures up to 800 MPa for 12 representative samples from the Longmen Shan complex in which the great 2008 Wenchuan earthquake took place. These allowed understanding how coseismic ruptures nucleated and propagated. Most of the samples show little Vp or Vs anisotropy at pressures above the closure-pressure of microcrack (Pc=200-300 MPa), the variation of anisotropy with pressure thus provides important hints for the preferred orientation of microcracks in the nonlinear poroelastic regime below Pc. Geothermal and rheological profiles indicate that the focal depth (~19 km) corresponds to the base of the schizosphere, below which the Longmen Shan complex switches from brittle to ductile behaviour.


identifier: Amini, S. (2011). Stress Relaxation of Growth Plate Tissue under Uniform Compressive Load : Relationship Between Mechanical Response and Extracellular Matrix Bio-Composition and Structure  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La modulation mécanique de la croissance osseuse a des implications dans la progression des déformations musculo-squelettiques telles que la scoliose idiopathique adolescente. Ce processus présente aussi un intérêt croissant pour le développement et l'amélioration des approches minimalement invasives de correction de ces déformations musculo-squelettiques en modulant localement la croissance osseuse, tout en préservant la croissance normale ainsi que les fonctions et mobilités segmentaires. La croissance longitudinale des os longs et des vertèbres s'effectue au droit des plaques de croissance, qui sont divisées en trois zones histologiques distinctes (réserve, proliférative et hypertrophique). La matrice extracellulaire de la plaque de croissance est principalement composée d'eau et de protéoglycanes imbriquées dans des fibrilles de collagène de type II, qui sont considérées comme des composants déterminants des propriétés biomécaniques des tissus cartilagineux. Des études antérieures ont étudié le comportement biomécanique des plaques de croissance, mais aucune étude n'a à ce jour analysé le comportement mécanique en compression de la plaque de croissance et de ses zones in situ à l'égard de sa composition biochimique et de l'organisation de ses fibres de collagène. L'objectif principal de cette étude était de déterminer les caractéristiques histomorphologiques et le comportement mécanique des plaques de croissance aux niveaux cellulaire et tissulaire, d'évaluer la composition biochimique et l'orientation des fibres de collagène de la plaque de croissance dans ses trois zones distinctes, puis d'établir des associations entre le comportement mécanique et la composition biochimique de la plaque de croissance. Cinq groupes d'explants de plaques de croissance provenant de porcs âgés de quatre semaines ont été utilisés dans ce projet. Le premier groupe d'explants (N=12) a été utilisé pour caractériser l'histomorphologie 3D de la plaque de croissance in situ aux niveaux cellulaire (volume, aire surfacique, sphéricité, et rayons mineur/majeur) et tissulaire (ratio cellule/matrice extracellulaire), en utilisant un marquage fluorescent du cytoplasme cellulaire (Calcéine AM) couplé à la reconstruction 3D des coupes sériées d'images numériques confocales (logiciel IMARIS). Afin de caractériser le comportement mécanique sous compression de la plaque de croissance et de ses cellules constitutives en 3D, un second groupe d'explants de cartilage de croissance (N=6), dont les cytoplasmes cellulaires ont été marqués à la Calcéine AM, a été testé sous compression  ABSTRACT: Mechanical loading has key implications in the progression of infantile and juvenile musculoskeletal deformities. Furthermore, the mechanical modulation of growth is of growing interest in the development and improvement of minimally invasive approaches that aim at modulating local bone growth while preserving the natural growth and functions of bone and bone segments. Longitudinal growth of long bones and vertebrae occurs in growth plates, which are divided into three distinct histological zones (reserve, proliferative and hypertrophic). Growth plate extracellular matrix is composed of water, large aggregating proteoglycans embedded within type II collagen fibrils, which are believed to be a critical determinant of tissue biomechanical competence. Previous studies have investigated the biomechanical behaviour of growth plates but no study up to date has comprehensively analyzed the zonal growth plate compressive mechanical behaviour in situ with respect to its biochemical composition and collagen fiber organization. The main objective of this study was to characterize the histomorphological characteristics and mechanical behaviour of growth plates at both cellular and tissue levels and to evaluate the biochemical composition and collagen fiber orientation of growth plate tissue in the three functionally distinct zones and to further establish associations between zonal mechanical behavior and biochemical composition of the growth plate. Five groups of growth plate explants from 4-week old swine were used in this project.The first group of explants (N=12) was used to characterize the 3D zonal histomorphology of in situ growth plate at the cellular (volume, surface area, spherecity, minor/major radii) and tissue (cell/matrix volume ratio) levels using fluorescent labeling of cell cytoplasm (Calcein AM) coupled with 3D reconstruction of serial confocal sections (IMARIS software). In order to characterize the three-dimensional compressive mechanical behaviour of the growth plate tissue and its constitutive cells, a second group of growth plate explants (N = 6), labeled with Calcein AM for cell cytoplasm, were tested in semi-confined compression under stress relaxation using a loading apparatus mounted on the stage of an inverted confocal microscope. These explants were subjected to 15% compressive strain (5% pre-strain and 10% strain) at a rate of 1.7x10-3s-1 until equilibrium. Serial sections of Calcein AM loaded explants were taken at two time points: prior to compression loading and after tissue relaxation. Three dimensional reconstruction of the serial sections taken pre-and post loading were completed from images taken separately in three zones


identifier: Dextraze, J.-P. (2011). Étude d'un procédé de fraisage immergé applicable à une fraiseuse submersible et portable.  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'institut de recherche d'Hydro-Quebec s'efforce de développer une fraiseuse portable et submersible dans le but de réaliser, en milieu submergé, des réparations sur des composantes de barrages hydro-électriques. Comme le fraisage en milieu immergée est très peu documenté, il a été nécessaire de réaliser des essais dans le but d'analyser le procédé à l'état immergé et de le comparer à du fraisage à sec. Les expérimentations ont porté sur l'étude de la vitesse et du mode d'usure des outils de coupe constitués de pastilles de carbures, sur la puissance requise par la broche et sur les propriétés des finis de surface obtenues lors de l'usinage d'acier ANSI1020. Lors des essais, nous avons constaté que : - L'usinage sous l'eau génère une usure des outils beaucoup plus rapide en réduisant la durée de vie des pastilles de 91%. - Il existe une très bonne corrélation entre la puissance de coupe et le niveau d'usure des outils. Cette information permet de connaître l'état d'endommagement des outils de coupe sans avoir besoin de directement les mesurer. - Le milieu de coupe influence la puissance requise à la broche. Une plus grande puissance est nécessaire lors de l'usinage sous l'eau, et ce, même en faisant abstraction de la puissance dissipée dans le fluide due à la rotation de l'outil. - Le milieu de coupe ne semble pas affecter la rugosité du fini de surface (Ra). - Les finis de surface usinés à sec montrent un profil beaucoup plus périodique que ceux usinés dans l'eau. - Les paramètres des finis de surface (kurtosis et skewness) sont très constants à sec tandis qu'ils varient en fonction des paramètres de coupe sous l'eau. À basse puissance de coupe, les surfaces usinées immergées ont des paramètres forts différents des surfaces usinées à sec. Par contre, cette différence disparaît à plus haute puissance de coupe.  ABSTRACT: Research Institute of Hydro-Quebec strives to develop a portable submersible milling machine in order to carry out, repairs on components of hydroelectric dams in submerged environments. As milling in submerged environments is very poorly documented, it was necessary to perform tests in order to analyze the process when immersed and compare it to dry milling. The experiments were carried on the rate and type cutting tools wear, on the required power by the spindle and on the surface finish properties while milling ANSI1020 steel. During testing, we found that: - Underwater milling greatly increase tool wear by reducing insert life by 91%. - There is a very good correlation between the cutting power and the level of tool wear. This information helps to know the state of damage on cutting tools without having to directly measure it. - The environment in influences the cutting power needed on spindle. More power is required when machining under water, even disregarding the power dissipated in the fluid due to tool rotation. - The milling environment does not seem to aaffect roughness (Ra) of surface finish. - The dry milled surfaces show a finish much more periodic than under water milled surfaces. - The surface finish parameters (skewness and kurtosis) are very consistent dry as they vary depending on cutting parameters under water. At high cutting power, these parameters on dry milled surfaces and under water milled surfaces are similar but quite different at lower cutting power.


identifier: Toussaint, K. (2011). Caractérisation de l'écoulement d'air dans une maquette d'alternateur hydroélectrique par méthodes numérique et expérimentale  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le potentiel d'augmentation de la puissance des alternateurs hydroélectriques existants est un sujet de recherche actuel à l'Institut de Recherche d'Hydro-Quebec (IREQ). Un aspect important de cette étude est l'analyse du refroidissement de l'alternateur par ventilation, qui se base en partie sur les simulations numériques d'écoulements fluides (CFD). En raison de la complexité des calculs numériques, un processus de validation est nécessaire et pour cette raison une maquette d'alternateur à l'échelle de 1 : 4 a été construite à l'IREQ. L'objectif global du présent projet de maîtrise est d'effectuer des simulations CFD de l'écoulement de ventilation dans la maquette d'alternateur afin de déterminer les caractéristiques principales de l'écoulement et de les comparer à des mesures expérimentales. Une étude numérique préliminaire en 2D et en 3D indique qu'une interface rotor-stator de type "mixing plane" est plus appropriée pour les conditions de l'écoulement dans l'entrefer de l'alternateur. En conséquence, ce type d'interface est utilisée tout au long de cette étude. Les principales caractéristiques de l'écoulement et la répartition des débits d'air dans la maquette sont décrites à partir des résultats de simulations 3D. Par ailleurs, la présence et l'orientation du jet principal sortant de l'ouverture du radiateur et du débit de retour vers le rotor sont confirmées qualitativement via des techniques de visualisation de l'écoulement. Les simulations CFD avant et après une modification de l'orientation des pales des ventilateurs radiaux et de la forme des capots indiquent que ce changement a entraîné une augmentation substantielle des pertes de ventilation, ce qui est en bon accord avec les mesures de pertes sur la maquette. Ceci est causee par l'accroissement du débit généré par les ventilateurs suite à leur modification. Cependant, le débit utile qui atteint les ouvertures de radiateur diminue en raison d'une augmentation majeure des fuites de capots, causée par l'agrandissement du jeu entre le capot et le rotor. Les simulations réalisées avec les propriétés de l'air à 25.0 C et a 46.2 C révèlent une réduction uniforme des débits massiques d'air dans la maquette lorsque la température augmente. Ceci est principalement causé par la diminution de la densité de l'air, puisque les débits volumiques demeurent presque identiques. De plus, la réduction de débit massique occasionne une réduction équivalente des pertes de ventilation.  ABSTRACT: The possibility of increasing the power output of existing generators is currently being investigated at the Hydro-Quebec Research Institute (IREQ). An important part of this study is the analysis of generator ventilation cooling, which is achieved by CFD simulations. Due to the complexity of flow calculations, a validation process is necessary and for this reason a 1:4 scale model of a hydro-generator has been built at IREQ. The objective of the present study is to perform CFD simulations of the ventilation flow in the scale model generator in order to determine the main  flow characteristics and compare them to experimental data. Preliminary 2D and 3D simulations suggest that the "mixing plane" rotor-stator interface type is more appropriate for the flow conditions in the generator air gap. Therefore, this interface type is used throughout the study. The main characteristics of the flow and its distribution are described based on 3D simulations results. Moreover, the presence and orientation of dominant flow features, such as the main jet exiting the radiator opening and the return flow to the rotor, are confirmed qualitatively via  flow visualization techniques. Simulations of the flow before and after a slight design change of the radial fans and overhang baffles indicate an increase in windage losses, which is in good agreement with measurements on the scale model. The increase in losses is caused by the increased flow rate through the fans after the design change. However, the useful flow rate that reaches the radiator openings actually decreases, as leakage from the overhang baes is increased. Simulations performed with the properties of air at 25 C and 46.2 C reveal a linear reduction in mass flow rates in the scale model when the temperature is increased. This is mainly caused by the decrease in the density of the air as volume flow rates remain fairly constant. Furthermore, the reduction in mass flow rate is associated with an equivalent reduction in windage losses.


identifier: Ben Amor, M. (2011). Intégration de la dymanique de la production électrique et évaluation des conséquences environnementales et économiques du cycle de vie de la production distribuée  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La production distribuée d'énergies renouvelables peut jouer un rôle important dans l'atteinte des objectifs de différents programmes énergétiques tels qu'assurer un approvisionnement répondant à une consommation croissante en énergie et la réduction des émissions de gaz à effet de serre (GES). Jusqu'à présent, plusieurs catégories d'impact de la production distribuée d'énergies renouvelables à partir de l'éolien et du solaire Photovoltaique ont été étudiées : les impacts sur les changements climatiques, les impacts économiques, les impacts sur l'utilisation des terres, etc. Cependant, les études évaluant ces différents impacts d'une manière intégrée et suivant une approche cycle de vie restent encore rares dans la littérature, bien que plusieurs travaux aient souligné l'intérêt d'une intégration. En plus de ne pas évaluer de manière intégrée les impacts environnementaux et économiques du cycle de vie, les études identifiées considèrent sans justification des scénarios idéaux (centrales de production électrique à partir du charbon ou du gaz naturel, grandes émettrices de GES) pour évaluer les impacts environnementaux et économiques à court-terme reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée, alors que plusieurs approches conventionnelles peuvent être appliquées. Ces approches consistent à utiliser soit des données moyennes, ou soit des données marginales pour le court-terme (en utilisant la procédure à cinq étapes développée par Weidema (2003). Jusqu'à présent, rares sont les études qui se sont penchées sur l'influence de ce choix d'approches sur les résultats.  Le premier objectif du projet de recherche consiste à évaluer d'une manière intégrée et comparer les impacts environnementaux et économiques du cycle de vie attribuables aux systèmes de production distribuée d'énergies renouvelables. Pour ce faire, deux filières ont été évaluées: les panneaux solaires Photovoltaiques (3kWp monocristallin et polycristallin) et les éoliennes de petites puissances (1, 10 et 30 kW). De plus, les impacts environnementaux (qualité des écosystèmes, changements climatiques, ressources et santé humaine) et économiques du cycle de vie attribuables aux systèmes évalués ont été calibrés selon différentes intensités de vent et d'ensoleillement rencontrées au Québec. Le second objectif consiste à appliquer les approches conventionnelles pour l'évaluation à court-terme des impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée. Pour ce faire, une analyse de sensibilité des scénarios de système centralisé de production électrique utilisant 1) des données moyennes et 2) des données marginales pour le court-terme, a également été appliquée. En résumé, les résultats montrent que l'éolienne de petite puissance de 30 kW et les panneaux solaires polycristallins de 3kWp représentent respectivement les séquences technologiques ayant le meilleur profil économique et environnemental pour les conditions de vent et d'ensoleillement au-dessus et au-dessous de la moyenne de la province de Québec. De plus, uniquement l'éolienne de petite puissance de 30 kW présente des avantages de réduction à court-terme des impacts environnementaux et économiques seulement si l'énergie renouvelable vient substituer de l'énergie électrique obtenue de centrales thermiques au mazout. Les résultats de l'application des approches conventionnelles pour évaluer les impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée ne tiennent pas compte de la concordance entre la production d'énergies renouvelables et les unités de production marginales (ce qui est appelé ici la dynamique de la production électrique).  Le troisième objectif du projet de recherche consiste à développer une méthode dans le but d'intégrer la dynamique de la production électrique pour l'évaluation à court-terme des impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée. Les nouveaux résultats en comparaison avec ceux obtenus en utilisant les approches conventionnelles vont aider à évaluer les fondements des approches conventionnelles à simplifier la dynamique de la production électrique tout en restant suffisamment réalistes. Pour ce faire, un modèle d'identification des technologies marginales qui tient compte de la dynamique de la production électrique est développé et appliqué au cas d'étude. Les résultats correspondants montrent que la réduction des impacts s'applique uniquement d'un point de vue environnemental. Avec l'utilisation de données moyennes de l'approvisionnement électrique, il n'y a aucune réduction des impacts environnementaux en conséquence de l'intégration de la production distribuée. Une seule exception pourrait être notée pour l'éolienne de 30 kW pour laquelle une réduction des impacts pour la catégorie ressources est observée. D'un autre côté, les résultats en utilisant l'approche proposée (tenant compte de la dynamique de la production électrique) montrent des réductions des impacts environnementaux pour toutes les catégories analysées (qualité des écosystèmes, changements climatiques, ressources et santé humaine) à l'exception de l'éolienne de 1 kW pour la catégorie qualité des écosystèmes. Ceci met en relief le biais qui pourrait être introduit par la simplification irréaliste de la dynamique de la production électrique en utilisant les données moyennes. De plus, en utilisant l'approche proposée, les résultats correspondants, se trouvent dans la plage de résultats obtenus en utilisant les deux technologies marginales statiques identifiés par l'application de la procédure à cinq étapes développée par Weidema (2003). Par contre, aucune tendance claire ne se dessine quant à la surestimation systématique des résultats lors de l'utilisation d'une technologie marginale statique par rapport à l'approche proposée. Par exemple, les résultats obtenus en utilisant, comme seule technologie marginale statique, la centrale au gaz naturel sont surestimés de 155 % pour les impacts sur la santé humaine et sous-estimés de 185 % dans le cas de la qualité des écosystèmes. Ces pourcentages démontrent l'impact de l'intégration de la dynamique de la production électrique lors de l'évaluation des impacts environnementaux reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée d'énergies renouvelables. En continuité avec l'évaluation du potentiel des approches conventionnelles à simplifier de façon adéquate la dynamique de la production électrique, il n'est pas clair si l'utilisation de ces approches conventionnelles est recommandée pour analyser l'influence de la taxe carbone sur les impacts du cycle de vie reliés aux conséquences à l'intégration de la production distribuée. Ce manque méthodologique peut devenir problématique sachant que l'intégration de la production distribuée pourrait se faire d'une manière simultanée à l'application d'un régime de taxation des GES.  Le dernier objectif du projet de recherche consiste à développer un modèle d'équilibre partiel et à l'appliquer pour l'évaluation à court-terme de l'influence de la taxe carbone sur les impacts environnementaux et économiques reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée. Pour ce faire, l'introduction de la taxe sur le carbone est évaluée. Cette dernière a pour effet 1) d'augmenter le prix de production de l'électricité et par conséquent, selon les mécanismes d'équilibre partiel, augmenter la valeur de l'électricité dans le marché et 2) d'influencer la fréquence d'utilisation des technologies marginales dans le temps. Ces changements viennent à leur tour modifier les résultats sur les impacts économiques et environnementaux. Avec l'intégration de la taxe sur le carbone dont la valeur varie entre 30 $\$$US et 90 $\$$US par tonne de CO2, les résultats obtenus en utilisant l'approche proposée (tenant compte de la dynamique de la production électrique) ne se trouvent pas dans la plage de résultats en utilisant les technologies marginales statiques identifiés par l'application de la procédure à cinq étapes développée par Weidema (2003). De plus, les résultats obtenus en utilisant les technologies marginales statiques surestiment les impacts environnementaux avec  l'augmentation de la taxe sur le carbone. D'un point de vue économique, les résultats obtenus en utilisant l'approche proposée se trouvent dans la plage de résultats obtenus en utilisant les technologies marginales statiques. Cependant, l'absence de réduction des impacts économiques reliés aux conséquences de l'intégration de la production distribuée est encore notée. Une seule exception est observée dans le cas où l'on considère la réduction des externalités correspondantes aux émissions des gaz à effet de serre réduites dans les autorités voisines de la province de Québec (Nouveau-Brunswick et Nouvelle-Angleterre). De manière générale, le projet de recherche a permis de montrer, en absence et en présence de de la taxe sur le carbone, l'impact de l'intégration de la dynamique de la production électrique pour évaluer le bon fondement et les limites des approches conventionnelles à évaluer pour le court-terme les conséquences environnementales et économiques à travers l'étude de cas sur l'intégration de la production distribuée d'énergies renouvelables par le solaire Photovoltaique et les éoliennes de petites puissances.  ABSTRACT: Distributed generation (DG) from renewable energy systems (RES) can play a significant role in meeting different energy policy goals, such as reducing greenhouse gas emissions, and adding supply to meet increasing energy demand. Renewable energy production performances using small-scale technologies are still under continuous investigation. Different impact categories are studied, such as global warming potential, economic impacts, land use, etc. However, only a few studies have combined all these different impacts through a life cycle perspective, despite recommendations to incorporate such a combination. Furthermore, these identified studies focused on assessing ideal conditions and compared small-scale renewable technologies to a high carbon centralized electricity production, even if approaches using different potentially affected centralized energy systems based on average and short-term marginal data already exist. One major drawback of assessing ideal conditions is the difficulty in generalizing the results, due to the specific setting used to assess distributed generation. Therefore, it is recommended to perform a sensitivity analysis using different centralized energy systems to provide a better picture of the potential benefits of distributed generation as an energy policy. Surprisingly, however, little research has been conducted on how such an analysis can affect study conclusions.  The first objective of this research project consisted in assessing the life cycle performance of small-scale renewable technologies. More specifically, the assessment integrates the environmental and economic life cycle impacts (LCA and LCC) of five commonly used small-scale systems: two types of grid-connected photovoltaic panels (3 kWp mono-crystalline and poly-crystalline system) and three types of micro-wind turbines (1 kW, 10 kW and 30 kW). Results were obtained for different climatic conditions prevailing in the province of Quebec (i.e. various levels of solar radiation and wind speed) to evaluate geographical dependencies. The second objective consists of exploring the potential benefits and limitations of distributed generation in a Northeastern American context. A sensitivity analysis was performed characterizing different potentially affected centralized energy systems, based on average and short-term marginal data (using the 5 step procedure developed by Weidema (2003)).  First, results show that life cycle system performances are very sensitive to climatic conditions: micro-wind 30 kW is deemed the best technology for above average conditions while 3 kWp poly-crystalline photovoltaic panels are preferable for below average conditions. Second, production potential using distributed generation does not show a potential benefit in comparison to the centralized Quebec grid mix (i.e. approach using average data). However, and this is the third main result, the assessed technologies, and more precisely micro-wind 30 kW, show potential benefits (environmental and economic) as long as oil centralized technologies are affected (decreases its production as a consequence of the integration of renewable distributed generation). The presented results do not consider changes in time for the renewable energy production and for short-term marginal electricity production technologies. However, these changes are fundamental and ignoring them could reduce the relevance of the study results. Up until now, no studies in the literature have considered the time varying nature when modeling electricity supply.  The third objective of this research project was to assess the implications of incorporating temporal aspects of electricity supply into the analysis. Environmental (ecosystem quality, climate change, resources and human health) and economic impact abatements of distributed generation using renewable energy system were estimated and compared to conventional approaches (using average and short-term marginal data) to assess such implications. Therefore, temporal variations of electricity supply were modeled and the results were used to estimate displaced types and the quantity of fuel saved from the affected short-term marginal electricity production technology, and thus assess the environmental impact abatements using micro-wind turbines and photovoltaic panels. Moreover, the economic impact abatements were modeled using hourly generation information in conjunction with hourly wholesale price data.  Results show that distributed generation has no economic benefits using the selected renewable energy systems. This is also the case when the Quebec consumption mix (approach using average data) is chosen to estimate life cycle environmental impact abatements. One exception can be identified when using micro-wind 30 kW and considering the ressource impact indicator. Using Quebec's average consumption mix overestimates hydropower as being marginal and underestimates the life cycle environmental impacts abatement to such an extent that a biased conclusion is reached. Indeed, results obtained using the proposed approach showed that distributed generation presents a potential environmental benefit from all the assessed renewable energy systems. One exception can be noticed for the micro-wind turbine 1kW technology when considering the ecosystem quality impact indicator. Results obtained using the proposed approach fall within the range of results obtained using the identified marginal technologies. However, there is no clear tendency showing that using one given marginal technology will always provide results below or above the ones obtained by applying the proposed approach. As an example, when natural gas power plants are considered as marginal, results reached a maximum of 155% above the proposed method estimate (for the human health indicator) and a maximum of 185 % below the proposed method estimate (for the ecosystem quality indicator). These percentages show how integrating time into electricity supply to assess life cycle environmental impact abatements provide more refined estimates in comparison to the conventional approach (i.e. static).  Given that distributed generation arise amidst talks of implementing a carbon mitigation policy such as carbon taxes, the last (fourth) objective of this research project was to assess the implications of incorporating carbon taxes along with the temporal aspects of electricity supply into the analysis. Once again, environmental and economic impact abatements of distributed generation using renewable energy system were estimated and compared to conventional approaches to assess such implications. Different levels of carbon taxes were therefore assessed using the developed partial equilibrium model. The latter is crucial to 1) estimate the increase of the hourly market price and 2) identify the hourly marginal electricity production technologies.  When increasing the carbon tax level from US $\$$30 to US $\$$90/tonne of CO2-equivalent, the obtained results using the proposed approach do not fall within the range of results obtained using the identified marginal technologies (using the 5 step procedure developed by Weidema(2003)). Indeed, results obtained using the identified marginal technologies increase their overestimation of the life cycle environmental impact abatement when the carbon tax level also increases. From an economic perspective, results showed that distributed generation has no economic benefits using the selected renewable energy systems, even with a US $\$$100/tonne of CO2-equivalent carbon tax. This finding remains the same when the value of the avoided GHG emissions is fully internalized, except for one scenario (micro-wind 30 KW). This research project clearly highlighted the impact of considering the dynamic patterns of electricity production to assess the accuracy of the conventional approach commonly used when estimating short-term life cycle environmental and economic abatement. This has been done by using the distributed generation case study in the presence and absence of different levels of carbon taxes.