title: Numerical Predictions of Evolving Crack Front Geometry and Fatigue Life from Countersunk Holes in Thin Plates

title: Prédictions Numériques de l’Évolution de la Géométries des Fissures et la Durée de vie en Fatigue Débutant de Trous Chanfreinés dans les Plaques Minces

contributor: Royal Military College of Canada / Collège militaire royal du Canada

subject:
Finite element analysis
fatigue
crack growth
countersunk fastener holes
spline

abstract:
The study of fatigue crack growth for damage tolerance analysis is of interest to the aerospace industry to enable accurate and economical estimates of a component’s life before replacement or repairs are required. Many numerical analyses used for damage tolerance employ a series of assumptions that enable results to be generated quickly at the cost of accuracy. With advances in computational power and numerical analyses some of these assumptions, such as crack shape, are not necessary and not including the assumptions in the analysis result in more accurate fatigue predictions. This thesis presents the development and application of an automated crack growth program, called the ACGP, to predict crack growth and fatigue life in non-standard geometries, where the shape of the crack front is determined iteratively.
The ACGP was developed using a simulated growth technique and employed finite element analysis and Paris growth equations to predict fatigue crack growth of cracks in thin plates. The ACGP was validated for predictions of fatigue life and crack growth that were found to agree with experimental and accepted numerical results. The predictions were also compared to results generated using the fatigue crack growth program AFGROW and differences and similarities are presented. Models were also created to predict crack growth emanating from countersunk fastener holes in thin plates. Assessment and comparison of the results are presented, identifying the growth pattern, critical initial location and the effect of geometric properties on the fatigue life.

abstract: L’étude de la résistance, la durabilité et la tolérance aux dommages des matériaux est d’intérêt à la communauté aérospatiale pour améliorer la sécurité et estimer de la durée de vie de composantes en avance d’un remplacement ou d’une réparation. Plusieurs des méthodes numériques employées pour l’analyse de la tolérance aux dommages utilisent des hypothèses simplificatrices permettant un calcul rapide au dépend de la précision. Des progrès en informatique et en analyse numérique ont rendu certaines de ces simplifications redondantes, tel que la géométrie des fissures, et, en conséquence,  les prédictions de la vie en fatigue sont devenues plus précises. Cette thèse discutera du développement et l’application d’un programme informatique capable de prédire la propagation des fissures et la résistance en fatigue pour les cas de géométries hors norme, où la géométrie de la fissure est déterminée de façon itérative. Le programme de prédiction automatisé de propagation de fissure, appelé ACGP, emploi une technique de simulation de propagation, une méthode des éléments finis et les équations de croissance de Paris pour prédire la propagation des fissures dans un plaque mince. Les prédictions de l’ACGP de la vie en fatigue et la propagation des fissures se comparent bien avec des résultats expérimentaux et numériques. Les résultats de l’ACGP ont été aussi validés contre ceux du programme informatique en analyse de fatigue AFGROW, et les similarités et différences sont présentées. De plus, la modélisation par éléments finis est employée pour prédire la propagation de fissures débutant des trous chanfreinés dans les plaques minces. L’évaluation et comparaison des résultats sont présentées, résultant en une identification du modèle de croissance, une détermination du point initial critique de la fissure et l’effet des propriétés géométriques sur la durée de vie de fatigue.


title: A New Paradigm for Role-Based Access Control

title: Un nouveau paradigme pour le contrôle d'accès basé sur les rôles

subject:
Role-Based Access Control
Scalability
Complexity
Least privilege
Security Models
Organizational structure

abstract: Role-Based Access Control (RBAC) is a popular solution for implementing information security however there is no pervasive methodology used to produce scalable access control systems for large organizations with hundreds or thousands of employees. As a result, ten engineers will likely arrive at ten different solutions to the same problem where there is no right or wrong answer but the cost is both immediate and long term. Moreover, they would have difficulty communicating the important aspects of their design implementations to each other. This is an interesting deficiency because despite their diversity, large organizations share two key concepts, roles and responsibilities, where a role like Departmental Chair has responsibilities.  In this work, our objective is to introduce ORGODEX, a new model and practical methodology for engineering scalable RBAC systems in large organizations where employees require access to information on a need to know basis.  First, we motivate the requirement for new structural RBAC relationships, distinguishing between roles and responsibilities. Next, we introduce our new model for describing and reasoning about RBAC implementations. Then we produce a new iterative methodology for engineering scalable access control systems. Finally, we validate our work with a case study whereby the ORGODEX model and methodology are used to deploy authorization as a service in the context of cloud computing.

abstract: Le contrôle d'accès basé sur les rôles (CABR) est une solution populaire pour la mise en œuvre de la sécurité de l'information, mais il n'existe pas de méthodologie omnipreésente utilisée pour produire des systèmes de contrôle d'accès évolutifs pour les grandes organisations avec des centaines ou des milliers d'employés. En conséquence, dix ingénieurs arriveront probablement à dix solutions différentes pour le même problème où il n'y a pas de bonne ou mauvaise réponse, mais où il existe à la fois un coût immédiat et à long terme. En outre, ils auront du mal à communiquer les aspects importants de la conception de leurs implémentations. Il s'agit d'une lacune intéressante car, malgré leur diversité, les grandes organisations sont fondées sur deux concepts clés, des rôles et des responsabilités, où un rôle comme chef de département est identifié et attribué des responsabilités. Dans ce travail, notre objectif est d'introduire ORGODEX, un nouveau modèle et une méthodologie concrète pour l'ingénierie des systèmes évolutifs CABR dans les grandes organisations où les employés ont besoin d'accès à de l'information sur le principe du besoin de savoir. Premièrement, nous motiverons l'exigence d'une nouvelle relation structurelle CABR, en distinguant les rôles et les responsabilités. Ensuite, nous présentons notre nouveau modèle pour décrire et raisonner les implémentations CABR. Ensuite, nous produisons une nouvelle méthodologie itérative pour l'ingénierie des systèmes de contrôle d'accès évolutifs. Enfin, nous validons notre travail avec une étude de cas selon laquelle le modèle et la méthodologie ORGODEX sont utilisés pour déployer l'autorisation en tant que service dans le contexte du cloud computing.


title: A Nonlinear Control Strategy for Grid-connected and Stand-alone Wind Energy Conversion System

title: Stratégie de contrôle non linéaire pour un système de conversion d’énergies éolienne connecté au réseau et autonome

subject:
Wind Turbine Conversion Systems
Nonlinear Control
Robust Control
Grid-connected
Stand-alone
Feedback Linearization
Battery Storage
Energy Management

abstract: Contrary to conventional electric power generators, such as diesel generators and hydroelectric power generators, existing wind energy conversion systems (WECS) are designed to operate in either grid-connected or stand-alone mode only. Dif- ferent controllers are therefore designed for each mode of operation. The trend is that WECS should be able to work in both modes. Very few studies have been done to address this issue. The available control methods use conventional linear PID-based control method. These methods are not always effective for high order multivariable nonlinear systems such as WECS. This thesis presents the devel- opment of a robust nonlinear controller for a hybrid wind energy battery-storage system that can operate in both grid-connected and stand-alone modes using a single unified controller. A new approach is proposed to improve the efficiency and increase the reliability of the hybrid wind turbine system. The proposed con- trol  strategy  includes  power  estimation  module  obtained  based  on  the  Th´evenin equivalent model of the grid side subsystem. While ensuring a seamless transition between the two modes, the controller efficiently manages the power distribution between the load, the battery and the grid. Next, an adaptive control algorithm is proposed to overcame parameter change which could occur due to extreme weather conditions such Canadian winter conditions. This algorithm is based on Lyapunov stability theory, which guarantee that the parameters are bounded and the state variables converge asymptotically to steady-state values. Mathematical analysis and results are presented to validate the performance of the proposed techniques. This was successfully applied for both wind-based three-phase power generation systems and single-phase residential applications.

abstract: Contrairement aux générateurs d'énergie électrique conventionels, tels que les générateurs diesel et les générateurs hydro-électriques,  les systèmes de conversion d'énergie éolienne existants (SCEE) sont conçus uniquement pour fonctionner en mode connecté au réseau ou en mode autonome. Différents contrôleurs sont donc conçus pour chaque mode de fonctionnement. La tendance est que les SCEE devraient être capable de fonctionner dans les deux modes. Très peu d'études ont été réalisées pour résoudre ce problème. Les m'ethodes de contrôle disponibles utilisent les méthodes de contrôle classique basée sur le proportionnel-intégral-dérivé (PID) linéaire. Ces méthodes ne sont pas toujours efficaces pour les systèmes non linéaires multivariées d'ordre élevé tels que les SCEE. Cette thèse présente le développement d'un contrôleur non  linéaire robuste pour un systéme hybride d'énergie éolienne avec batterie de stockage pouvant fonctionner à la fois en mode connecté au réseau qu'en mode autonome en utilisant un seul contrôleur unifié. Une nouvelle approche est proposée pour améliorer l’efficacité et la fiabilité du systéme éolienne hybride. La stratégie de contrôle proposée comprend un module d'estimation de la puissance obtenu sur la base du modéle équivalent Thévenin du  sous-syst`eme  côté réseau. Tout en assurant une transition souple entre les deux modes, le contrôleur gère efficacement la  répartition de la puissance entre la charge, la batterie et le réseau. Ensuite, un algorithme de contrôle adaptatif est proposé pour surmonter le problème de changement des paramètres qui pourrait survenir en raison de conditions météorologiques extrêmes telles que les conditions hivernales canadiennes. Cet algorithme  est basé sur la théorie de la stabilité de Lyapunov, qui garantit que les paramètres sont bornés et que les variables d'état convergent de manière asymptotique vers des valeurs à l'état d'équilibre.  L'analyse mathématique et les résultats sont présentés afin de valider les performances des techniques proposées. Ceci a été appliqué avec succès à la fois pour les systèmes triphasés de production d'énergie éolien et les applications résidentielles monophasées.


title: Streak detection and photometry with the NASA wide-field infrared survey explorer

title: Détection de trances et photométrie avec le satelite NASA wide-field infrared sruvey explorer

subject:
space situational awareness,
SSA,
infrared,
space object characterization

abstract:
Photometric analysis of Resident Space Objects (RSOs) in the infrared of- fers some advantage over more prevalent optical analyses; in particular, objects are typically brighter at infrared wavelengths. An algorithm was developed that utilises image background subtraction, pixel connectedness and moments to scan imagery from the NASA Wide-field Infrared Survey Explorer (WISE) mission for the presence of Geostationary (GEO) RSO streaks. NASA WISE scanned the entire infrared sky with a space-based 4m telescope, in four bands at 3.4, 4.6, 12 and 22 µm wavelengths. The algorithm developed in this re- search allows for automatic photometric measurement of detected streaks in all four bands, and for correlation to satellites, rocket bodies or debris in the pub- lic satellite catalogue. In an initial subset of 82,208 WISE images, 1,696 GEO RSO streaks were serendipitously observed and analysed. Multiple infrared bands yielded magnitude and colour index data for these streaks. Preliminary results suggest a correlation between colour index values and several RSO characteristics, including age, size and shape, that shows promise for the util- ity of infrared sensors for space surveillance. Expansion of this research into almost six million images accessible in the NASA WISE database is planned, to increase the veracity of outcomes and the breadth of data available for
analysis.

abstract:
Résumé
L’analyse photométrique des objets spatials en orbite (OSO) dans l’infrarouge offre certains avantages comparée aux méthodes prévalentes dans la partie visible du spectre électromagmétique. Un algorithme a été développé afin de détecter la présence de traces de satellites en orbite géosynchrone des images acquises avec le télescope spatial de la NASA Wide-Field Infrared Survey Explorer (WISE). Ce télescope, ayant un aperture de 0.4 mètre, a scanné le ciel entier dans quatre bandes de l’infrarouge, soit à 3.4, 4.6, 12 et 22 µm. L’algorithme, élaboré dans le cadre de ce projet de recherche, calcule automatiquement des mesures photométriques des traces de satellites dans les quatre bandes et identifie les objets par l’entremise d’une corrélation entre les détections et les satellites et d´ébris spatiaux dans le catalogue publique d’objets spatiaux. Dans un sous-ensemble initial de 82,208 images acquise par le télescope spatial WISE, un total de 1,696 traces d’OSO en orbite géosynchrone furent détectées et analysées. L’analyse photométrique dans les quatre bandes infrarouges a permis de produit des indices de couleurs pour chacunes des traces détectées. Les résulats préliminaires démontrent une corrélation entre l’indice de couleur et plusieurs caractéristiques des OSS tels que l’age, la dimension, la forme. Ces résultats laissent croire un avenir prometteur pour l’utilisation de capteurs infrarouges pour des missions de surveillance de l’espace. L’expansion de cette recherche à une analyse complète de la banque d’image WISE, qui contient presque 6 millions d’images, est prévue afin de confirmer les conclusions de la recherche présentées dans cette
thèse.


title: New and Extended Results in Renewal and Queueing Theories

title: Les Résultats Nouveaux et Etendus en Théorie des Ensembles Renouvelés et des Files D’attente

subject: Stochastic processes, Markov chains, Renewal theory, Discrete-time, Bulk-renewal processes, Queueing theory, Single-server queues, Service stages.

abstract:
This thesis encompasses new and extended results in renewal and queueing theories.
In the renewal theory portion of this thesis, the asymptotic result of renewal mass function and new asymptotic moments are found using the method of generating functions. This method is not only simple but also provides the extra constant terms in the asymptotic second moment which are unavailable in the literature. Higher asymptotic moments and their corresponding extra constant terms can also be found using the method of generating functions. Previous results in the existing literature do not have these extra constant terms. Recent work in renewal theory has the extra constant terms in a non-bulk renewal processes. The purpose of this thesis is to extend that recent work to the bulk-renewal processes in discrete-time.
In the queueing theory portion of this thesis, the imbedded Markov chain technique is used to determine the distributions of the number of uncompleted service stages, the number of customers in the system, and the waiting-time-in-queue. Single-server queues with a fixed number of service stages have been analyzed by many authors, some of whom state that there is no simple way to analyze the queue 𝐺𝐼/𝐸𝑋/1. The purpose of this thesis is to review and extend the previous work on 𝐺𝐼/𝐸𝑟/1 to the more general model 𝐺𝐼/𝐸𝑋/1 in which the number of stages is randomly distributed.


title: Investigating Strategies for Mitigating Iodine-Induced Stress Corrosion Cracking in CANDU® Fuel Sheathings

title: Enquête de Stratégies pour Atténuer la Fissuration par Corrosion Sous Contrainte par Induite par l’Iode dans les Gaines de Combustible CANDU®

format: application/pdf application/pdf

subject:
CANDU
Stress Corrosion Cracking

abstract:
CANDU® fuel uses the graphite-based coating CANLUB to mitigate iodine-induced stress corrosion cracking (I-SCC) and has an excellent record of fuel performance with very low failure rates (≈ 0.01%). Advanced fuelling cycles should be considered (e.g., higher burnups or power cycling) to increase efficiency and cost effectiveness in reactors. With a corresponding increase in fission product inventory and load cycling, strategies on improved I-SCC mitigation are necessary to facilitate the move to a more aggressive fuelling schedule.

Building upon previous research at the Royal Military College of Canada, this thesis will aim to investigate alternative methods for mitigating I-SCC. This will involve utilizing established static loading methods to test the viability of small oxygen additions using O2 gas and alkaline oxide additions (e.g., Na2O and CaO).

This thesis will discuss the relevant background on CANDU fuel, I-SCC, and the motivation for investigating advanced fuel cycles. The experimental apparatuses and procedures will also be discussed.

Results from static loading tests have shown that O2 gas additions have a small effect with respect to reducing the amount of corrosive attack experienced on Zircaloy-4. CaO and Na2O have shown the ability to reduce the amount of corrosive attack experienced on Zircaloy-4. Also, results are presented from an experiment that showed an alternative commercially available coating, Pyromark, has higher levels of impurities (e.g., Ca and Na) and offers increased I-SCC mitigation potential over that of traditional CANLUB.

abstract:
La combustible CANDU® utilise un matériau de recouvrement à base de graphite CANLUB pour atténuer la fissuration par corrosion sous contrainte induite par l’iode (FCC-I) et a une compte rendu excellente de performance combustible avec des taux de faillites très bas (≈ 0.01%).  Des cycles de ravitaillement élevées devrais être considérés (ex. plus de combustions ou cycles de puissance) pour améliorer l’efficacité et rentabilité dans les réacteurs. Avec un correspondant accroissement de produits de fission et cycle de charge, des stratégies sur l’amélioration d’atténuation de FCC-I est nécessaire pour faciliter le changement vers un programme de ravitaillement plus agressif.

S'appuyant sur des recherches précédentes menées au Collège militaire royal du Canada, cette thèse se vise à enquêter de méthodes alternatives d'atténuation de FCC-I. Cela impliquera l’utilisation de méthodes de chargement statique établis pour tester la viabilité de peu d’additions d’oxygène utilisant le gaz O2 et additions d'oxydes alcalins (ex. Na2O et CaO).

Cette thèse discutera le contexte pertinent sur la combustible CANDU®, FCC-I, et la motivation pour enquêter des cycles de ravitaillement avancées. Les appareils et procédures expérimentaux seront aussi discutés.

Les résultats des tests de chargement statique ont montré que les additions de gaz O2 ont un petit effet en ce qui concerne la réduction de la quantité d’attaque corrosive qu’expérience le Zircaloy-4. CaO et Na2O ont démontrés la capacité à réduire le montant d’attaque corrosive qu’expérience les échantillons de Zircaloy-4.  Aussi, les résultats sont présentés à partir d’une expérience qui a montrer un recouvrement alternatif disponible dans le commerce, Pyromark, a des niveaux d’impuretés plus élevés (ex. Ca et Na) et offres le potentiel d’atténuation augmenté pour FCC-I au-delà du traditionnel CANLUB.


title: TREATMENT OF SALINE WASTEWATERS AND THE REMEDIATION OF SALINIZED SOILS USING NATIVE HALOPHYTIC PLANTS

title: LA TRAITEMENT D’EAUX USÉES SALINES ET L’ASSAINISSEMENT DES SOLS SALINISÉS AVEC DES PLANTES INDIGÈNES HALOPHYTIQUES

subject:
Soil Salinization
Phytoremediation
Recretohalophytes
Haloconduction

abstract: Soil salinization is a pressing issue worldwide affecting native ecosystems and croplands. As climate change can hasten the process of soil salinization, there is a growing need for sustainable methods to manage soil salinity. Some soils become saline due to natural processes but many are the result of anthropogenic activities. For example, leachate from a cement kiln dust (CKD) landfill containing concentrated amounts of potassium chloride has led to the salinization of a wetland region in Bath, ON, the study site in this thesis. Thus, the use of the accumulator halophyte Salicornia maritima was first investigated for its ability to survive and extract salts when watered with CKD leachate containing high concentrations of potassium chloride. It was determined that S. maritima could survive when watered with leachate up to 2X the average chloride concentration of chloride while accumulating up to 25% of its dry biomass as chloride. Halophytic accumulator plants are suitable in regions where frequent harvesting is feasible, however, recretohalophytes offer the ability to passively phytoextract salts by haloconduction, making the remediation of soils at more remote sites possible. Four recretohalophytes, Atriplex canescens, Armeria maritima, Spartina pectinata, and Distichlis spicata were evaluated in a greenhouse setting to determine their salt excretion capacities. A. maritima, S. pectinata, and D. spicata were deemed suitable for haloconduction, however A. maritima would be best suited in highly saline soils (≥4000 µg/g) since below this concetration, it relied primarily on salt accumulation. S. pectinata achieved the most consistent and had the highest salt excretions even when grown in soil below 4000 µg Cl-/g. As remediation via haloconduction is still a novel procedure, the first model to quantify and visualize salt extraction from a site via haloconduction was created next. A simple estimation of salt emission from S. pectinata was generated based on greenhouse and wind tunnel studies. It was combined with aerial dispersal modeling using AERMOD to visualize salt dispersal from the study site located in Bath, ON. The model demonstrated that if the site, a 1000 m2 wetland affected by potassium chloride leachate with average soil chloride concentrations of 4000 µg/g, was planted entirely with S. pectinata, site remediation could be achieved in approximately 2-4 years without negatively impacting the surrounding environment as deposition rates remain below background levels. These were the first studies to evaluate S. maritima’s ability to extract potassium chloride from leachate, and develop a framework to assess recretohalophytes’ ability to phytoremediate soil. The findings of this thesis demonstrate that phytotechnologies can be effective tools for soil salinity management and that haloconduction can provide rapid site remediation without negatively impacting the surrounding environment.

abstract: La salinisation du sol est un problème global qui affecte plusieurs écosystèmes et terres agricoles. Puisque le changement climatique peut accélérer le problème, il existe un besoin pour des méthodes durables qui aident à gérer la salinité des sols. Les sols peuvent devenir salins à cause de phénomène naturel, mais plusieurs sont le résultat d’activités anthropiques. Par exemple, une zone humide située à Bath, ON a été salinisée par du lixiviate d’un entrepôt de poussière de four à ciment qui contient des concentrations hautes en chlorure de potassium. La survie et la capacité d’extraire les sels de l'halophyte accumulateur Salicornia maritima, ont donc été étudiées pendant que les plantes ont été arrosées avec ce lixiviat. S. maritima a pu survivre lorsqu’elle était arrosée avec du lixivicate contenant jusqu’à 2X le taux moyen de concentration de chlorure et a accumulé jusqu'à 25% de sa biomasse sèche en forme de chlorure. Les halophyte accumulateurs sont surtout utiles là où les récoltes fréquentes sont possibles. Cependant, les récrétohalophytes offrent la capacité de phytoextraire les sels passivement par l’haloconduction, ce qui permet l'assainissement des sols aux sites isolés. Quatre récrétohalophytes, Atriplex canescens, Armeria maritima, Spartina pectinata et Distichlis spicata ont été évalués en serre afin de déterminer leurs capacités d'excrétion de sel. A. maritima, S. pectinata, et D. spicata seraient utiles pour l’haloconduction, mais A. maritima serait seulement appropriée là où la salinité du sol est très élevée; quand elle a poussé dans un sol avec moins de 4000 µg/g chlorure, elle a plutôt sur accumulé du sel dans ses tissus. Cependant, le taux d’excrétion de chlorure de S. pectinata a augmenté graduellement alors que la concentration de chlorure dans le sol a augmenté. Cette espèce était la plus consistante et avait l’excrétion la plus élevée lorsqu'elle était cultivée dans du sol avec moins de 4 000 µg Cl-/ g. L'assainissement des sols par l’haloconduction est encore une procédure nouvelle, donc le premier modèle permettant la quantification et la visualisation de l’extraction de sel par l’haloconduction, a été créé. Ce modèle numérique simple d'assainissement par S. pectinata était basé sur des études en serre et en soufflerie. Il a été combiné avec un modèle de dispersion aérienne AERMOD, pour visualiser la dispersion du sel du site d'étude situé à Bath, ON. Le modèle a démontré que si le site était entièrement planté de S. pectinata, il pourrait être assaini en 2 à 4 ans sans impact négatif sur le milieu environnant. Ce sont les premières études à évaluer la capacité de S. maritima à extraire le chlorure de potassium des lixiviats et à produire un modèle permettant d’évaluer la phytorémédiation du sol par des récrétohalophytes. Les résultats de cette thèse démontrent que les phytotechnologies peuvent être des outils efficaces pour la gestion de la salinité des sols et que l'haloconduction peut permettre une restauration rapide de sites sans impacts négatifs sur l'environnement.


title: A Genetic Algorithm for P300 Feature Extraction

title: Un algorithme génétique pour l'extraction des caractéristiques du p300

subject:
EEG
P300
Genetic Algorithm
Brain-Machine Interface
Machine Learning
Support Vector Machine

abstract: Brain-Machine Interface (BMI) systems collect and classify electroencephalogram (EEG) data to predict the desired command of the user. The P300 EEG signal is passively produced when a user observes or hears a desired stimulus. The P300 can be used with a visual display to allow a BMI user to select commands from an array of selections. P300 signal to noise ratios are low, to increase classification accuracy repeated unclassified signals, epochs, are often averaged before classification. The process of epoch averaging reduces the number of commands a user can select in a given amount of time. To improve command rate we explored classification of single-epoch P300 signals. An EEG BMI system was constructed to allow offline training and live testing. Using a genetic algorithm to select features of data we classified P300 signals with 78.3% accuracy using a Support Vector Machine classifier. Using multi-epoch averaging improved classification and enabled a simulated mobile-robot steering system. In live testing users were able to achieve 7.5 commands per minute and complete the steering challenge. The features selected by the genetic algorithm are discussed for use in future minimum-epoch P300 systems.

abstract: Un système d’interface cerveau machine (BMI) collecte et classifie des données électroencéphalogrammes (EEG) pour prédire le résultat escompté de l’utilisateur. Le signal P300 EEG est produit passivement quand un utilisateur observe ou entend un stimulus désiré. Le P300 peut être utilisé avec un écran pour permettre un utilisateur du BMI de sélectionner des commandes à partir d’un tableau de sélections. Le rapport signal bruit du P300 est bas, pour augmenter l’exactitude, les signaux non-classifiés sont répétés et terme d’époques et sont souvent moyennés. Le processus de moyenné les époques réduit le nombre de commandes qu’un utilisateur peut sélectionner dans un certain lapse de temps. Afin d’améliorer le taux de commandes nous avons exploré la classification d’une seul époque des signaux du P300. Un système EEG BMI a été construit pour permettre l’entraînement hors ligne et les tests en ligne. En utilisant un algorithme génétique pour sélectionner les caractéristiques des données nous avons classifié des signaux du P300 et ceux provenant d’autres sources à 78.3% en utilisant un engin de classification basé sur le State Vector Machine. L’utilisation de moyenner les multi-époques a amélioré la classification et a permis la direction d’un robot mobile. Durant les tests en ligne les utilisateurs ont été capable de donner 7.5 commandes par minute et de compléter les défis de direction de robots. Les caractéristiques sélectionnées par l’algorithme génétique sont discutés pour utilisation dans un époque minimum de systèmes P300.


title: Robust Adaptive Control for a Class of Nonlinear Systems with Uncertainties of Unknown Bounds

title: Commande robuste adaptative pour une classe de systèmes non linéaires avec des incertitudes de bornes inconnues

subject:
nonlinear systems
uncertainties of unknown bounds
adaptive sliding mode control
integral-exponential adaptation law
robustness
reaching time estimation
chattering attenuation

abstract:
Although linear control theory has been applied in industry successfully over a long period, it has been found to be inadequate in many physical systems having nonlinear properties such as friction, hysteresis, backlash, and saturation. To deal with the nonlinear systems with uncertainties of unknown bounds, adaptive sliding mode control (ASMC) techniques with integral and modified integral adaptation law  have been introduced during the past two decades. However, the integral type adaptation laws have a weakness that they can not achieve fast response to the uncertainties and lower chattering simultaneously.

The dissertation first reviews the general idea of ASMC techniques for nonlinear systems with uncertainties of unknown bounds. The necessary and sufficient conditions are discussed. It shows that any positive definite monotonic function of the sliding variable can be used in the integral adaptation law. Moreover, a special type of function is proposed to smooth the chattering.

The dissertation then investigates the convergence and boundedness in the existing classic ASMC techniques. By applying a new Lyapunov method and a new majorant curve approach, it successfully proves the finite-time convergence (FTC) of the sliding variable and uniformly ultimately bounded (UUB) convergence of the switching gain. Moreover, it deduces a new formula for reaching time estimation (RTE). The new RTE shows the relationship that the reaching time is inversely proportional to the square root of the designed integral parameter. The explicit relationship indicates that the classic ASMC techniques cannot achieve fast response and lower chattering simultaneously. Thus, it reveals the inherent reason of the slow response existing in the classic ASMC techniques with integral adaptation laws.

In order to thoroughly resolve the trade-offs involved in system response to the uncertainties and chattering attenuation, a new adaptation law, integral-exponential reaching law, of first order ASMC for nonlinear uncertain systems of uncertainties is proposed. The new algorithm combines the classic integral reaching law with an exponential term. With the newly added exponential term, the system responds to the uncertainties quickly. Moreover, it reduces the final switching gain. Thus, the lower chattering level is achieved simultaneously. Moreover, the new design can deal with the uncertainties bounded with not only unknown constant bounds but also polynomial bounds in the norm of the states.

Illustrative simulations are provided to help understand the existing and the proposed ASMC adaptation processes. The proposed designs are then numerically verified upon different real nonlinear dynamic systems such as a variable-length pendulum, a two-degree-of-freedom (2-DOF) experimental helicopter and a 5-DOF robotic manipulator. Moreover, the experiments are conducted on the 2-DOF experimental helicopter-model-based setup to compare the proposed designs with the existing ASMC designs and the common proportional-integral-derivative (PID) designs. Both numerical and experimental results show that the new proposed ASMC designs for nonlinear dynamic systems with uncertainties of unknown bounds can significantly improve the robustness of the systems and reduce the chattering level compared to currently existing ASMC designs.


title: SIMULATION OF PERSONAL PROTECTIVE EQUIPMENT EXPOSURE TO RADIOACTIVE PARTICULATES

title: SIMULATION DE L’EXPOSITION D’ÉQUIPEMENT DE PROTECTION PERSONNELLE À DES MACRO-PARTICULES RADIOACTIVES

subject:
Personal protective equipment
Dosimetric modelling
Particulate transport theory
Monte Carlo
Radiation exposure
Dispersion event

abstract:
Airborne radioactive particulates constitute a significant hazard facing military members, emergency personnel, and the immediate public in any nuclear-related incident. Personal protective equipment (PPE) can be used to reduce wearer exposure to emitted radiation; however, existing PPE suits do not effectively attenuate all types of radiation and, thus, cannot offer complete protection in response to radiological hazard scenarios. In light of the Fukushima-Daiichi incident, it is evident that rigorous investigation and research needs to be undertaken in order to resolve this issue and to garner a better understanding of the level of protection provided by current PPE concepts.

The objective of this thesis is to develop a realistic dosimetric model of the human forearm, protected by a PPE sleeve, which can be used to determine the dose imparted to the tissue in the event of radiological particulate exposure. A two-fold approach is employed whereby: (1) a particle transport model is used to determine the concentration of radioactive particulates in five regions surrounding the forearm (both within and outside the PPE sleeve); and (2) these concentration data are then incorporated into a dosimetric model that uses the Monte Carlo N-Particle (MCNP) transport code to determine the dose imparted to the tissue. Nine modelling cases, representative of a combination of the three most likely radionuclide species (Co-60, Sr-90, and Cs-137) facing emergency personnel during a radiological dispersion event and three different PPE sleeve concepts (air impermeable fabric with closure leak, perfectly sealed air permeable fabric, and no shielding), were selected for analysis.

The preliminary model developed in this thesis was successfully able to determine the dose imparted to a human forearm as a result of exposure to radioactive particulates released in a dispersion event. The results indicate that the ability of the fabric to limit the transport of radioactive particulates has a greater impact on reducing the imparted dose than its ability to attenuate the incident radiation. A number of improvements to the model are proposed and discussed, such that it may be extended to consider more accurately particulate infiltration processes and whole-body dose and be used as a tool for Canadian Armed Forces (CAF) commanders during radiological emergencies.

abstract:
Les macro-particules radioactives aéroportées représentent un danger important pour les militaires, le personnel des urgences et le public immédiat lors d’incidents de nature nucléaire.  L’équipement de protection personnelle (ÉPP) peut être utilisé afin de réduire l’exposition du porteur aux rayonnements émis; cependant, les vêtements d’ÉPP existants ne peuvent pas atténuer de manière efficace tous les types de rayonnement et, par conséquent, ils ne peuvent pas offrir une protection complète dans tous les scénarios de danger nucléaire.  À la lumière de l’incident de Fukushima-Daiichi, il est évident qu’une enquête et une recherche rigoureuses doivent être entreprises pour résoudre cette question et pour acquérir une meilleure compréhension du niveau de protection fourni par les concepts actuels en matière d’ÉPP.

L’objectif de cette thèse est de développer un modèle réaliste de la dosimétrie de l’avant-bras humain protégé par une manche d’ÉPP et qui peut être utilisé pour déterminer la dose appliquée au tissu lors d’une exposition aux macro-particules radioactives.  Une double approche est employée ici: (1) on utilise un modèle de transport de particules pour déterminer la concentration des macro-particules radioactives dans cinq régions de l’avant-bras (au-dedans et au-dehors de la manche de l’ÉPP) et, (2) on incorpore les données de concentration dans un modèle de dosimétrie qui utilise de code de transport par Monte Carlo “Monte Carlo N-Particle (MCNP)” pour déterminer la dose reçue par le tissu.  On a choisi pour l’analyse neuf cas de modélisation représentatifs d’une combinaison des trois radioisotopes les plus probables (Co-60, Sr-90, et Cs-137) auxquels ont à faire face les membres du personnel d’urgence au cours d’un événement de dispersion radiologique, ainsi que trois concepts différents de manche d’ÉPP (tissu imperméable à l’air avec une fuite dans une fermeture, tissu perméable à l’air parfaitement scellé, et aucun blindage).

Le modèle préliminaire développé dans cette thèse était capable de déterminer avec succès la dose reçue par l’avant-bras humain lors d’un événement de dispersion de macro-particules radioactives.  Les résultats indiquent que la capacité du tissu de limiter le transport des macro-particules radioactives a un impact sur la réduction de la dose appliquée bien supérieur à sa capacité d’atténuer le rayonnement incident.  Un certain nombre d’améliorations sont proposées et discutées pour le modèle, comme celle d’une extension possible incluant un traitement plus précis des processus d’infiltration des macro-particules et de la dose sur tout le corps, ainsi que l’utilisation de ce modèle comme outil pour les commandants des Forces armées canadiennes lors d’urgences radiologiques.


title: Through the Looking Glass: Exploration of the Synthesis and Design of Glass-Forming Metal Complexes

title: Exploration de la Conception et de la Synthèse de Complexes de Coordination Vitreux

subject:
molecular glass
mexylaminotriazine

abstract:
Molecular glasses are a novel class of chemical compounds that have gained an increasing amount of attention in the development of functionalized thin film materials. The small size, low molecular weight, and monodisperse nature of these compounds lead to easier purification and characterization compared to traditional materials. Our research group has designed a class of compounds based on a mexylaminotriazine core that can readily adopt glassy phases and incorporate glass-forming properties into other molecular functionalities. The development of molecular glass coordination complexes could be used to form amorphous thin films for solid-state applications such as opto-electronics and heterogeneous catalysis. The goal of this research thesis is to develop a viable strategy for incorporating glass-forming properties into coordination complexes. Herein, the synthesis of a number of mexylaminotriazine-functionalized ligands and the subsequent preparation and characterization of a variety of corresponding coordination complexes is presented.
Glass-forming salen derivatives incorporating mexylaminotriazine glass-forming moieties were synthesized. Symmetric and asymmetric glass-forming salen ligands were synthesized with ethylene and cyclohexane backbones, while, a mono-functionalized version was synthesized with a phenylene backbone. A number of first-row transition metal complexes were prepared from the asymmetric ligands and incorporate Mn(III), Fe(III), Co(II), Ni(II), Cu(II), and Zn(II) metal centres. Differential scanning calorimetry (DSC) demonstrated the glass-forming properties of most complexes, with the Co(II) complex being the only complex without a clear glass transition. As expected, the glass transition temperatures (Tg) of the coordination complexes were found to be higher than that of their respective ligands. The proposed cause is the loss of molecular mobility associated with the coordination of metal centres to these ligand structures. In addition, Tg values varied between metal complexes incorporating analogous ligands.
An acetylacetone ligand incorporating a mexylaminotriazine substituent was also successfully synthesized. DSC was used to demonstrate the glass-forming properties and determine the Tg of this ligand. Attempts to prepare a variety of homoleptic and heteroleptic transition metal complexes with Zn(II), Ni(II), and Cu(II) metal centres were unsuccessful. Subsequent experiments suggest that the ligand was too labile, resulting in hydrolysis during the purification of the coordination complexes.
Lastly, a mexylaminotriazine-functionalized phenanthroline ligand was synthesized. This ligand was subsequently used to prepare a number of heteroleptic lanthanide complexes from lanthanide(III) metal salts and two different β-diketones. The ligand and all corresponding complexes demonstrated glass transition temperatures and glass-forming properties via DSC. A lower Tg was observed amongst the resulting coordination complexes. The loss of hydrogen bonding interactions formed from the heteroaromatic nitrogen atoms of the phenanthroline moiety are the proposed cause. The Tg values were consistent amongst most complexes; however, the lanthanum(III) complexes in both series demonstrated higher Tg values. The optical properties of these complexes were found to be consistent with crystalline analogues. Furthermore, the two europium(III) complexes were observed to luminesce when irradiated by UV light. Similar properties have been reported in non-glass forming europium(III) complexes. This project has demonstrated that a library of mexylaminotriazine-functionalized ligands and their respective homoleptic and heteroleptic coordination complexes can be synthesized to incorporate novel glass-forming properties while maintaining the properties of their non-glassy analogues.


title: GAP BRIDGING USING CHEMICAL BLOWING AGENTS IN CONTOUR LASER TRANSMISSION WELDING OF THERMOPLASTICS

title: UTILISATION DES AGENTS D'EXPANSION CHIMIQUE EN SOUDAGE DES THERMOPLASTIQUES PAR LASER TRANSMISSION WELDING

subject:
Laser Welding
Gap bridging

abstract: Laser transmission welding (LTW) is an innovative technique for joining thermoplastics. The laser energy is transmitted through an upper transparent part and is then absorbed by the lower absorbent part. The absorbing pigments such as carbon black convert the laser energy into heat which melts the plastic and creates the weld.  Among several laser delivery methods, Contour LTW is especially suitable for bigger geometries. However, meltdown, which permits the bridging of small interfacial gaps, doesn’t normally occur with Contour LTW. This project explores the novel idea of gap bridging using chemical blowing agents in Contour LTW.  Chemical blowing agents (CBA) are normally used to make thermoplastic foams. The idea of this project was to incorporate this CBA into the absorbent parts during injection moulding while keeping it undecomposed. During welding, the temperature will rise more where interfacial gaps are present and thus activate the CBA which then releases gas and generates foam. This foam takes part in gap bridging. For this project, Dow LDPE 959S was selected as the base polymer resin. Four different types of CBA were examined. TRACEL® IM 2240 ST was found to be the most suitable among them based on thermal gravimetric analysis (TGA). Injection moulded parts were made with and without CBA while maintaining the same carbon black level in the absorbent part. Welding experiments were carried out on samples with and without CBA. It was found that the presence of CBA lowers the minimum power required to create a weld for a given gap size. The strength of specimens containing CBA was however lower than those without CBA. To model the conversion of CBA, first the chemical kinetics of CBA degradation was measured using TGA.. A 2D finite-element method model was then used to find the temperature of different points near the weld seam as a function of time. A Matlab® code was subsequently developed to calculate the theoretical percentage of conversion of CBA at different locations along the geometry. The output from the CBA conversion model helped to explain the experimental findings and suggest possible measures to achieve better gap bridging result using the method described in the study.

abstract: La soudure par transmission laser (LTW, venant du nom anglais « Laser Transmission Welding ») est une technique innovatrice permettant de souder des thermoplastiques. L’énergie du laser est transmise à travers une partie supérieure transparente et est ensuite absorbée par une partie inférieure absorbante. Les pigments absorbants tels que le noir de carbone convertissent l’énergie du laser en chaleur qui fond le plastique et crée ainsi la soudure. Parmi plusieurs méthodes d’émission de laser, Contour LTW est surtout adapté pour de plus grandes géométries. Par contre, la fusion, permettant la pontage de petites lacunes inter-faciales, ne se produit pas d’habitude avec Contour LTW. Ce projet explore l’idée de pontage des lacunes en employant des agents chimiques gonflants dans Contour LTW. Des agents chimiques gonflants (CBA, venant de l’anglais « Chemical Blowing Agents ») sont d’habitude utilisés pour créer des mousses en thermoplastique. L’idée de ce projet est d’incorporer ces CBA dans les parties absorbantes durant le moulage par injection à l’aide d’une injection sans décomposition. Durant le soudage, la température augmentera plus là où les lacunes inter-faciales sont présentes et donc activera les CBA, qui ensuite relâcheront du gaz et produiront de la mousse. Cette mousse participe dans le pontage des lacunes. Pour ce projet, Dow LDPE 959S est sélectionné en tant que la base polymère en résine. Quatre différents types de CBA ont été examinés. TRACEL® IM 2240 ST est celui qui convient le mieux parmi eux en se basant sur l’analyse thermale gravimétrique (TGA, venant de l’anglais « Thermal Gravimetric Analysis »). Les parties moulées par injection ont été créées avec et sans CBA en gardant le même niveau de noir de carbone dans la partie absorbante. Des expériences ont été menées sur les échantillons avec et sans CBA. Il a été découvert que la présence de CBA diminue la puissance minimale requise pour créer la soudure pour une grandeur de lacune donnée. La force des spécimens contenant du CBA est par contre inférieure à ceux sans CBA. Pour montrer la conversion du CBA, les cinétiques chimiques sont tout d’abord mesurées en utilisant la TGA. Un modèle utilisant la méthode d’éléments-clos 2D a ensuite été utilisé pour trouver les températures des différents points près de la soudure en  fonction de temps. Un code Matlab® a ensuite été développé pour calculer le pourcentage théorique de la conversion de CBA en différents lieux de la géométrie. Le résultat du modèle de la conversion du CBA aide à expliquer les conclusions expérimentales et suggère des mesures possibles pour acquérir de meilleurs pontages de lacunes en utilisant la méthode décrite dans l’étude.


title: The effects of porosity on the fatigue behaviour of Galfenol

title: Les effets de la porosité sur les propriétés en fatigue du Galfenol

subject: Galfenol Fatigue Porosity HIP

abstract: The fatigue behaviour of three Galfenol steels, alloys predominantly composed of iron and gallium, was investigated. Gallium contents were 18.4 at.%, 14.9 at.%, and 12.4 at.% for F, C, and M  series Galfenol, respectively. C series Galfenol also had 2.2 at.% tertiary chromium, additions known to improve corrosion resistance. For all three alloys, commercially pure gallium was alloyed with low carbon steels, resulting in less than 0.15 at.% carbon content. As-received rods were produced by Bridgman rod extrusion to enhance the preferential grain orientation required to maximize the sought-after magnetostrictive effect. The as-received rods measured 24 mm diameter and 125 mm long and each was machined into eight cylindrical dogbone fatigue specimens with 4.5 mm diameter gauge sections. Constant amplitude fully reversed tension compression (R = -1) fatigue tests were performed on the dogbone specimens. The initial fatigue results were highly scattered with one standard deviation on life being of one order of magnitude. The as-received material was also very porous, with macropores as large as 500 𝜇m. Hence, the primary objective of this study was to determine if reducing the porosity would improve fatigue behaviour. Hot iso-static pressing (HIP) at 310 MPa and 1250 °C increased material densities by 1% ± 0.1%  and removed 86% ± 6% of surface area porosity. More importantly, macroporosity was removed and the largest remaining pores after HIP had Feret mean diameters less than 30 𝜇m. After HIP, data scatter increased by 43% for the F series and was reduced by 8% for the C series. Although many of the specimens were longer lasting for the HIP F series, given the resulting high level of scatter, there was not enough statistical evidence to indicate that HIP improved its fatigue behaviour. On the contrary, mean fatigue lives for the HIP C series Galfenol was improved by 95%. Fatigue results of each of the three as-received Galfenol series were essentially the same, indicating that gallium contents between 12.4-18.4 at.% have no effect on fatigue behaviour of Galfenol. Given that fatigue behaviour of C and F series was not dramatically affected by HIP although the porosity was greatly reduced, HIP of M series was not pursued. It is suspected that the relatively large grain size and the weak boundary cohesion caused by gallium rich precipitates are responsible for the persistent large scatter in fatigue data, even after porosity reduction.

abstract: La durée de vie en fatigue de trois alliages de Galfenol, un acier principalement composé de fer et de gallium, a été étudiée. Les tenures en gallium des alliages étaient respectivement de 18.4 at.%, 14.9 at.%, et 12.4 at.% pour les séries F, C, et M. La série C contenait 2.2 at.% de chrome comme élément tertiaire, un ajout reconnu pour améliorer la résistance à la corrosion des aciers. La pureté du gallium employé dans les trois alliages et l'acier utilisé resultat en une basse tenure en carbone, soit moins de 0.15 at.%. Les tiges de Galfenol de ce projet furent fabriquées par extrusion Bridgman et mesuraient 24 mm de diamètre et 125 mm en longueur. Chaque tige a été machinées pour produire huit échantillons de fatigue cylindriques avec un diamètre interne de 4.5 mm. Les essais en fatigue consistaient en de chargements uniaxiaux purement alternés (R = -1). Les résultats initiaux étaient très dispersés avec un écart type sur la vie d'un ordre de grandeur. Le matériel possédait des macropores mesurant jusqu'à 500 𝜇m, alors il fut décidé de traiter les tiges par pressage isostatique à chaud (310 MPa et 1250 °C) avant de poursuivre les essais en fatigue. Le traitement de pressage a augmenté la masse volumique des échantillons par 1% ± 0.1% et a réduit par 86% ± 6% la surface totale occupée par les pores. Aussi, ce traitement élimina la macroporosité puisque les pores les plus larges observés suite au traitement mesuraient moins de 30 𝜇m de diamètre. Après le traitement de pressage, la variabilité des résultats en fatigue de la série F (FH) a augmenté de 43% et celle de la série C (CH) a été diminuée de 8%. Étant donné la variabilité des résultats, il n'était pas possible de déterminer statistiquement si le pressage à chaud a contribué à une amélioration nette des résultats. Par contre, les résultats en fatigue de la série CH ont duré en moyenne 95% plus longtemps que les échantillons de la série C. Les résultats en fatigue des trois alliages étaient effectivement les mêmes, indiquant que la tenure en gallium entre 12.4-18.4 at.% a peu d'impact sur la résistance à la fatigue du Galfenol. Puisque les effets de pressage sur les propriétés en fatigue étaient limités, le pressage de la série M n'a pas été poursuivi. Il est soupçonné que la grosseur macroscopique des grains et l'affaiblissement du Galfenol causée par les hautes tenures en gallium sont aussi des causes principales de la variabilité des résultats.


title: CHARACTERIZATION OF SANDWICH PANELS SUBJECT TO LOW-VELOCITY IMPACT

title: CARACTERISATION DES PANNEAUX SANDWICH SOUMIS A UN IMPACT A FAIBLE VITESSE

subject:
low-velocity impact
impact à faible vitesse
composites
composites
sandwich panels
panneaux sandwich
non-standard panels
panneaux non-standards
repaired panel
panneau réparé
tap test
test marteau
CATT
CATT
drop-weight impact
essai d'impact par chute
characterization
caractérisation
CFRP
PRFC
honeycomb
nid d’abeilles
impactor diameter
diamètre de l’impacteur
failure mode
modes de défaillance
BVID
BVID
computer-aided tap test
test marteau assistée par ordinateur
dent relaxation
détente à long terme

abstract:
Low-velocity impact on composite sandwich structure is a concern in the aerospace community, which has led to academic and industry investigation of failure modes, strength reduction and damage tolerance of structures with special attention to barely visible impact damage. Blunt impact as a result of tool drops or ground handling accidents may cause damage to the facesheet and core compromising the integrity of the panel while leaving minimal surface indication.

This research characterizes damage as a result of out-of-plane impact of selected non-standard sandwich panels. Panels consist of carbon-fiber reinforced epoxy facesheets, and an aluminum alloy honeycomb core; thicknesses of facesheets, core, and density of core were varied for the panels.

A fixture was designed to allow for a drop-weight impact tower to contact panels perpendicular to their upper surface. Following impact, dents were measured via micrometer and laser topography. Underlying panel damage was characterized with through-transmission ultrasound, radiography and an in-house damage detection method named the C-scan tap test which detected changes in local stiffness similar to the computer-aided tap test. Non-destructive methods were followed by a sectioned characterization of the damage through the impact zones.

Four studies were carried out, looking at how damage is affected by impactor diameter, impact on a repaired panel, the effectiveness of the C-scan tap test, and the presence of longterm dent relaxation. Hemispherical impactor diameter was shown to influence damage area and failure mode for a given impact energy level. Impact on a repaired panel led to significant hidden damage underneath the repair patch. The C-scan tap test performed well when compared to ultrasound and radiography. Longterm dent relaxation was minimal for the panel studied, less than 30 μm over a week-long period.

abstract:
L’impact à faible vitesse sur une structure fabriquée en sandwich composite est une préoccupation dans la communauté aérospatiale et le sujet d’enquête universitaire et industrielle sur les modes de défaillance, la réduction de la force et de la tolérance aux dommages des structures avec une attention particulière aux dommages d’impact à peine visible. Un impact contondant résultant d’outils échappés ou d’accidents de manutention au sol peut causer des dommages au revêtement et au noyau compromettant l’intégrité du panneau tout en laissant de minuscules traces sur la surface.
Cette recherche caractérise les dommages d’impact perpendiculaire sur des panneaux sandwich non-standards. Les panneaux sont composés d’un revêtement d’epoxy renforcé de fibres de carbone, et un âme nid d’abeilles en alliage d’aluminium; l’épaisseur du revêtement, de l'âme, et la masse volumique de l'âme ont été variées pour les panneaux.
Un gabarit a été conçu pour permettre aux masses d’un tour d’impact de frapper les panneaux perpendiculairement à leur surface supérieure. Après le choc, les bosses ont été mesurés avec un micromètre et par topographie laser. Les dommages du panneau sous-jacent ont été caractérisés par échographie par transmission, radiographie et une méthode propriétaire de détection de dommage nommée test marteau C-scan qui détecte des changements dans la rigidité locale de façon similaires au test marteau assistée par ordinateur. Les méthodes non destructives ont été suivies par une caractérisation en coupe des dommages dans les zones d’impact.
Quatre études ont été réalisées, spécifiquement les dommages varient selon le diamètre de l’impacteur, l’impact sur un panneau réparé, l’efficacité du test marteau C-scan, et la détente à long terme des bosses. Le diamètre de l’impacteur hémisphérique influence la taille des dommages et le mode de défaillance pour un niveau d’énergie d’impact donnée. L’impact sur un panneau réparé resulte en des dommages importants cachés sous la pièce de réparation. Le test marteau C-scan donne des résultats comparables à l’échographie et la radiographie. La détente à long terme fut minime pour le panneau étudié, moins de 30 µm sur une période d’une semaine.


title: Multidisciplinary Analysis of Closed, Nonplanar Wing Configurations for Transport Aircraft

title: Étude multidisciplinaire de configurations d’ailes non planes pour aéronefs de transport

subject:
Aircraft design
Optimization
Nonplanar wings

abstract:
A multidisciplinary study of an unconventional aircraft configuration was undertaken to determine if such a design could decrease the environmental impact of civil air transportation through fuel burn improvements for given missions. The specific configuration examined was a box-wing. This is a nonplanar wing design where two parallel wings with some degree of streamwise separation were connected at their tips by a vertical wing segment. The box-wing design differs from a conventional aircraft in three key areas: it has the lowest induced drag of any wing design with the same projected area; it can achieve longitudinal stability without a horizontal tail; and the wings form a statically indeterminate truss structure. These three characteristics lead to improved performance in the respective disciplines of aerodynamics, stability and structures. For this reason, the box-wing has been investigated as a possible transport aircraft in several previous studies, each focusing on these disciplines independently.

Trends which improved the performance in one discipline, however, could decrease the performance of the others. A multidisciplinary analysis was required to resolve these interactions and understand the trends which led to reduced fuel consumption for a box-wing design. Novel models for predicting the aerodynamic performance, static longitudinal stability and structural weight of a box-wing aircraft were developed for such an analysis. Optimal box-wing designs were identified, which were compatible with existing transport aircraft certification requirements and operational guidelines. These designs were compared against optimized conventional aircraft to determine what advantage the box-wing configuration possessed.

These findings showed both the interactions between the three key disciplines  of aerodynamics, stability and structures, as well as the effect which certification and operational constraints had on the design. Unconventional designs are critical to achieve the fuel burn reductions sought in the next generation of aircraft. The rigorous comparison made between box-wing and conventional configurations showed whether such a designs should be pursued in the development of future transport aircraft. Understanding how the constraints and design choices affect a box-wing's performance helped identify alternate missions which best take advantage of this unconventional design.

abstract:
Une étude multidisciplinaire d’une configuration d’aile d’aéronef non- conventionnelle fut entreprise afin de déterminer s’il était possible de réduire la consommation de carburant requise pour entreprendre certains profils de vols. La configuration d’ailes sélectionnée pour ce projet était celle d’ailes en anneau, une configuration similaire à celle d’un avion biplan où les extrémités d’ailes horizontales sont rejointes par des segments d’ailes verticaux. Ce type de configuration se démarque des ailes conventionnelles par les trois principes suivants: la traînée par unité de surface induite est moindre que toutes autres configurations d’ailes conventionnelles, la présence d’une telle configuration élimine la nécessité des gouvernes de profondeurs et les ailes en anneaux forment une structure hyperstatique pour laquelle l’amélioration structurelle peut résulter dans la réduction du poids structurel. Ces trois facteurs ont le potentiel de produire de nettes améliorations dans les performances aérodynamiques et en stabilité ainsi que des réductions du poids structurel. Pour ces raisons, plusieurs scientifiques ont déjà poursuivi des études ciblées sur ces avancements potentiels de performance.

Malgré qu’il a été démontré avec succès que certains modèles peuvent en fait améliorer certains aspects de la performance, aucun des modèles d’ailes en anneau proposés à date ont su démontrer une amélioration de performance globale, pour les trois principes mentionnés ci-haut. Ainsi, ce projet a utilisé une étude multidisciplinaire avec l'objectif premier de produire un modèle structurel d'ailes en anneau possédant le potentiel d'amélioration de performance sur l’ensemble des trois principes.

De nouveaux modèles numériques innovants permettant l’amélioration de la performance aérodynamique, la stabilité statique longitudinale ainsi qu’une réduction du poids structurel de l’ensemble d’aile ont été développés avec succès. Ces modèles sont compatibles avec les normes et certifications existantes ainsi qu'avec les standards opérationnels pour les aéronefs de transport. De plus, ces modèles numériques ont été comparés avec des configurations d’ailes conventionnelles optimisées afin d’identifier et de quantifier leurs avantages.
Les résultats de cette étude ont démontré que tout en respectant les contraintes opérationnelles et les besoins de certification, les modèles développés pouvaient en fait accroître la performance selon les trois critères mentionnées. Ces résultats démontrent que l’utilisation de configurations non-conventionnelles offre un niveau amélioré de performance pour de nouvelles configurations potentielles d’aéronefs. Grâce aux améliorations en performance, cette étude a aussi identifié de nouveaux types de missions de vols pour lesquelles les ailes en forme d’anneau pourraient être avantageuses.


title: Conceptual Design of an Organic-Cooled Small Nuclear Reactor to Support Energy Demands in Remote Locations in Northern Canada

title: Design d'un Petit Réacteur Nucléaire à Caloporteur Organique pour Fournir de l'Énergie à des Endroits Éloignés du Grand Nord Canadien

subject:
Small Modular Nuclear Reactor
Reactor Physics
Nuclear Engineering
Conceptual Design

abstract:
Small nuclear reactors can offer safe, reliable, and long-lasting district heating and electrical power generation to remote locations in Northern Canada. A reactor, cooled and moderated by an organic fluid, based upon the 20 kWth SLOWPOKE-2 research reactor is proposed for potential employment in Northern Canada. To achieve an uprated power of 1 MWth, the conceptual design of the reactor proposes the organic coolant, HB-40, in place of the SLOWPOKE-2’s light water coolant. To increase heat transfer across the reactor’s core, the proposed design incorporates a coolant circulation pump below the reactor. Furthermore, the SLOWPOKE-2’s dimensions are enlarged to house a greater mass of fuel and to provide a larger surface area for heat transfer. Despite these alterations, the reactor has maintained the simplicity of the SLOWPOKE-2 and early indicators suggest the design may be inherently safe. In its present state, the reactor is suitable for district heating of small installations. Operating together, multiple reactors may supply larger heat demands or even electrical power generation while providing added redundancy.
	Presently, the conceptual design includes the reactor’s core, annular reflector, and initial control system. At full power, the reactor’s coolant circulates unpressurized at a flow rate of 7.63 kg s-1 from an inlet temperature of 290 OC to an outlet temperature of 340 OC. The reactor employs the same 19.89% enriched uranium dioxide as the SLOWPOKE-2 in similar, albeit longer, fuel pins. In the reactor’s core, 660 fuel pins contain 8.610 kg of uranium-235 providing an approximate fuel service life of 11.5 years at full power. The annular reflector of the reactor is composed of beryllium like SLOWPOKE-2, but the annulus splits into 6 identical plates that move away from the core providing long-term regulating control. The reactor’s control system is designed to provide both short-term and long-term regulating control in addition to containing sufficient negative reactivity to achieve shutdown under all circumstances. In addition to the aforementioned reflector plates, the control system is comprised of 25 hafnium control rods and 24 hafnium shutdown rods. An initial investigation of the reactor’s reactivity coefficients has indicated strong potential for inherent safety due to strongly negative correlations between the reactivity and the fuel temperature, the moderator-coolant temperature, and the void fraction.
	This conceptual design has been developed through simulation of the reactor’s steady-state neutronics using two different computer codes. The first, Los Alamos National Laboratories’ MCNP 6, employs a three-dimensional Monte Carlo-based probabilistic method to infer average particle behaviour from statistical analysis of many neutron histories. The second, Atomic Energy of Canada Limited’s WIMS-AECL, numerically solves the neutron transport equations in two dimensions to determine the average particle behaviour. This initial design phase has yielded promising results that should be explored further with detailed thermal hydraulic modelling of the reactor as well as kinetic modelling of reactor in transient states. To fully achieve inherent safety in the reactor’s design, a containment and shielding system are required to mitigate hazards due to escape of radiation and fission products.


title: A UNIFIED APPROACH TO MULTI-SERVER BULK-ARRIVAL QUEUES USING ROOTS

title: UNE APPROCHE UNIFIÉE POUR FILES D'ATTENTE D'ARRIVÉES DE MASSE DE MULTISERVEURS À TRAVERS RACINES

subject:
queues
bulk-arrival
Multi-server
continuous-time
roots
discrete-time
finite- buffer
infinite-buffer
light-tailed
heavy-tailed


title: Optimal Trajectories for Autonomous Thermal Soaring

title: Trajectoires optimales en vol plané autonome utilisant des ascendants thermiques

subject:
Aerial Surveillance
Autonomous Soaring
Direct Collocation
Feedback Control
Optimal Trajectories
Target Acquisition
Thermals
Thermal Centering
Thermal Soaring

abstract: Autonomous thermal soaring aircraft exploit the use of naturally occurring updrafts to increase their overall energy state. Thermal soaring strategies for these types of aircraft have been developed and refined to increase aircraft range and/or endurance performance through pilot flying experience and an increased knowledge of gliding flight theory. Current autopilot development for thermal centring control makes use of analytical expressions or accepted soaring techniques for their implementation. The use of trajectory optimization to analyze thermal centring strategies has been very limited given the numerical difficulties encountered when analyzing the problem in a Cartesian coordinate system. In this study, the generalized aircraft equations of motion are restructured in cylindrical coordinates, to reduce numerical computational issues arising during optimization, and are augmented with wind component forces. To generate optimal trajectories for autonomous thermal soaring, the optimal control problem is defined as maximizing either the aircraft’s instantaneous or final specific energy state and the trajectories are solved using a direct collocation method using nonlinear programming. Optimal flight trajectories are presented for a small autonomous aircraft operating in multiple thermal profiles of varying strengths. These trajectories are compared to the derived analytic expressions and a thermal centring strategy for controller development is presented. As an application, optimal flight trajectories are presented that maximize thermal energy extraction whilst providing persistent aerial surveillance coverage for a variety of thermal and target locations.

abstract: Le vol à voile autonome utilise le vol thermique pour accroître leur énergie. Des stratégies de vol thermique ont été développées et améliorées pour accroître la distance franchissable et/ou le temps de vol en utilisant l’expérience des pilotes ou la mécanique du vol plané. La commande de positionnement sur l’ascendant thermique des pilotes automatiques actuelles est basée sur des expressions analytiques ou des techniques de vol connues. L’emploie d’optimisateur de trajectoire pour déterminer la commande de positionnement est prescrit dû aux difficultés numériques lors de l’analyse en coordonnées cartésiens. Pour cette étude, les équations générales du mouvement sont réécrites en coordonnées cylindriques, afin de réduire les difficultés numériques durant l’optimisation et sont accompagnées de composantes de la force du vent. La commande optimale par méthode de point intérieure non linéaire est utilisée pour générer les trajectoires optimales en vol thermique et est définie comme le maxima de l’énergie instantanée ou de l’énergie finale. Les trajectoires optimales sont présentées pour de petit aéronef autonome volant dans de multiple profiles d’ascendant thermique de force différente. Ces trajectoires sont comparées avec les expressions analytiques et stratégies de positionnement. Comme exemple d’application, les trajectoires optimales maximisant l’apport d’énergie de la thermique à l’avion en maintenant une surveillance aérienne d’un territoire pour différents ascendants thermiques et cibles terrestres.


title:
FUEL OXIDATION MODEL VALIDATION AND APPLICATION TO THE MITIGATION OF
STRESS CORROSION CRACKING IN FUEL
SHEATHING

title:
VALIDATION D’UN MODÈLE D'OXYDATIOCOMBUSTIBLE ET APPLICATION À
L'ATTÉNUATION DE LA CORROSION SOUS
CONTRAINTE DU GAINAGE DE COMBUSTIBLEN DU

subject:
Nuclear fuel
UO2
Defective fuel
Fuel element
Fuel Oxidation
CANLUB
Graphite
Stress corrosion cracking
Hyperstoichiometric oxygen
J integral
Stress intensity factor
Zircaloy
Sheathing corrosion
Corrosion mitigation
Zirconia
Zirconium oxide layer
Oxide layer
Fuel thermal
Conductivity
Cladding corrosion
out-reactor test
Thermal gravimetric analyzer

abstract:
Abstract
Quastel, Aaron D., PhD (Nuclear Engineering) Royal Military College of Canada. May
2016. Fuel Oxidation Model Validation and Application to the Mitigation of Stress Corrosion
Cracking in Fuel Sheathing, Supervisors: Dr. Brent J. Lewis and Dr. Emily C. Corcoran.
Light and heavy water cooled reactors typically use uranium dioxide ceramic fuel
contained and sealed in zirconium alloyed sheath or clad fuel rods or elements. Normally the
sheath or clad fuel remains intact throughout its duration in the reactor core. In rare
occurrences, (<0.1 %) sheath or clad breaches can form exposing the fuel to the coolant
leading to fuel oxidation. Fuel oxidation can affect reactor safety and operation by reducing
thermal conductivity of the fuel leading to increased fuel temperatures in normal and accident
conditions. Further, the oxidized fuel can have a lower melting point, and fission products
release can be enhanced.
A mechanistic fuel oxidation model for defective UO2 fuel to predict oxygen/uranium
(O/U) ratios was developed at RMC, which included coupling fuel oxidation kinetics, solid
state oxygen diffusion in the fuel, gas phase diffusion in the fuel cracks and in the fuel-tosheath
gap, and heat transfer. To validate the model an out-reactor instrumented defected fuel
experiment was designed and built. The fuel oxidation model was modified to represent this
experiment. Two fuel oxidation models representing the out-reactor instrumented defective
fuel experiment were analyzed: A 2D r- model and 3D model. Both models included discrete
radial fuel cracks for gas phase diffusion, where hydrogen and hyperstoichiometric oxygen
generation were provided by flux terms on common gas and solid domain boundaries in the
fuel. The 2D r- model provided an estimate of the radial temperature distribution and the 3D
model provided an estimate of fuel oxidation in the out-reactor experiment. Since fuel
cracking plays a central role in fuel oxidation the conditions for fuel crack propagation using
the J integral and predictions for radial fuel crack geometry in thermally expanded UO2 fuel
were studied in a plane strain 2D r- solid mechanics model.
In the experimental work of this thesis it was shown that hyperstoichiometric oxygen in
the presence of graphite (CANLUB) in CANDU fuel can have mitigative properties against
stress corrosion cracking in fuel sheathing. Experimental results provided a first estimate of
how much hyperstoichiometric oxygen needs to be added to the fuel to provide and repair a
protective oxide layer on the internal sheath surface against iodine corrodant. The fuel
oxidation model was modified to compute suitable conditions in the fuel pellet sintering
process in order to introduce a thin layer of oxygen on the outside surface of the fuel while
ensuring that the bulk O/U ratio of 2.00 for the fuel pellet was not disturbed.

abstract:
Résumé
Quastel, Aaron D., PhD (Génie atomique) Collège militaire royal du Canada. Mai 2016.
Validation d’un modèle d'oxydation du combustible et application à l'atténuation de la
corrosion sous contrainte du gainage de combustible, Superviseurs: Dr. Brent J. Lewis et Dr.
Emily C. Corcoran.
Les réacteurs refroidis à l'eau légère ou lourde utilisent généralement du combustible
céramique de dioxyde d'uranium contenu et scellé dans une gaine en alliage de zirconium ou
dans des barres ou des éléments de combustibles chemisés. Normalement, la gaine ou le
chemisage du combustible reste intacte tout au long de son séjour dans le coeur du réacteur.
Dans de rares cas (<0,1 %), des brèches peuvent se former dans la gaine ou le chemisage et
exposer le combustible au liquide réfrigérant, provoquant ainsi une oxydation du combustible.
L'oxydation du combustible peut affecter la sécurité et le fonctionnement du réacteur en
réduisant la conductivité thermique du combustible, qui à son tour provoque des températures
de combustible plus élevées dans des conditions normales et accidentelles. En outre, le
combustible oxydé peut avoir un point de fusion plus bas et le rejet de produits de fission peut
augmenter.
Un modèle mécaniste d'oxydation du combustible pour les combustibles défectueux afin
de prédire les rapports O/U a été développé au CMRC, et celui-ci incorpore le couplage des
cinétiques d'oxydation du combustible, la diffusion d'oxygène dans le combustible, la
diffusion en phase gazeuse dans les fissures du combustible et dans l'intervalle qui sépare le
combustible à la gaine, et du transfert de chaleur. Pour valider ce modèle, une expérience
hors-réacteur de combustible intentionnellement défectueux et instrumenté a été planifiée,
préparée, et effectuée. Le modèle d'oxydation du combustible a été modifié pour représenter
cette expérience. Deux modèles d'oxydation du combustible représentant l'expérience horsréacteur
de combustible intentionnellement défectueux et instrumenté ont été développés : un
modèle r- en 2D et un modèle en 3D. Les deux modèles comprennent des fissures dans le
combustible séparées et radiales permettant de prendre en considération la diffusion en phase
gazeuse d’hydrogène et d’oxygène hyper stoechiométrique, provenant du gaz interstitiel et des
parties du combustible adjacentes aux fissures. Le modèle r- en 2D fournit une estimation
de la distribution radiale de la température et le modèle en 3D fournit une estimation de
l'oxydation du combustible dans l'expérience hors-réacteur. Parce que le réseau de fissures
radiales dans le combustible influence de manière significative l'oxydation du combustible,
les conditions de leur propagation utilisant l'intégrale J et les prédictions de leur géométrie et
de leur nombre dans le combustible UO2 thermiquement dilaté ont été étudiées dans un
modèle mécanique à contrainte plane r- en 2D.
Dans les travaux de recherche de cette thèse, il a été constaté que l'oxygène hyper
stoechiométrique en présence de graphite (CANLUB) dans le combustible CANDU pourrait
atténuer la corrosion sous contrainte du gainage de combustible. Les résultats expérimentaux
ont fourni une première estimation de la quantité d'oxygène hyper stoechiométrique devant
vi
être ajoutée au combustible pour fournir et réparer une couche d'oxyde protectrice contre
l’effet corrosif de l'iode à la surface interne de la gaine. Le modèle d'oxydation du
combustible a été modifié pour prédire les conditions nécessaires lors du frittage des pastilles
de combustible pour produire une fine couche de combustible hyperstoechiométrique à leur
surface tout en veillant à ce que le rapport O/U de 2,00 soit conservé dans leur volume.


title: EFFECT OF ELECTROSPINNING VARIABLES ON FIBER DIAMETER AND MEASURED ELECTRIC CURRENT

title: L’EFFET DES PARAMETRES D'ELECTROFILAGE SUR LE DIAMETRE DE LA FIBRE ET LE COURANT ELECTRIQUE MESURE

subject:
Electrospinning
Electric current
Nanofiber

abstract: Electrospinning is a technique used to produce continuous nanofibers with diameters in the range of nm-μm. Electrospun nanofibers are potential candidates for applications such as tissue engineering, filters, wound dressings, composite reinforcement, and drug delivery materials, among others. In this study, electrospinning is used to fabricate biodegradable nanocomposite fibers using poly caprolactone (PCL) and cellulose propionate (CP) as a reinforcing agent. Non-halogenated co-solvents have been selected using solubility graphs based on the fractional cohesion parameter of solvents. A single variable optimization method has been used for the optimization of different electrospinning process parameters including solvent ratio, polymer concentration, applied voltage, flow rate and tip to collector distance. Scanning electron microscopy was used to characterize the nanofibers’ morphology and diameter, and the resulting diameters were plotted against each process variable in order to determine optimal processing conditions for the production of uniform fibers with the narrowest fiber distribution. The measured diameter of the spun fibers for the studied process variables was modeled using the terminal jet theory. Electric current was measured during electrospinning and the results revealed valuable information about the mechanism at play during the process. Jet motions such as whipping or splitting are shown to directly impact fiber diameter and the measured electric current. The thermal properties and crystallinity of the resulting nanofibers were evaluated using differential scanning calorimetry which showed an increase in crystallinity of the nanofibers when compared to the bulk polymer. Finally, tensile strength and elongation of the resulting nanofibers were studied using dynamic mechanical analysis which revealed an increase of tensile strength for CP-PCL blends.

abstract: L’électrofilage est une technique utilisée pour produire des nanofibres continues avec des diamètres de l'ordre de nm-µm.  Les nanofibres électrofilées sont des candidates potentielles pour des applications telles que le génie tissulaire, les filtres, pansements pour plaies, le renfort composite, et des matériaux de délivrance de médicaments, entre autres.  Dans cette étude, l’électrofilage est utilisé pour fabriquer des fibres de nanocomposites biodégradables de poly-caprolactone (PCL) en utilisant le propionate de cellulose (CP) comme agent de renforcement.  Des co-solvants non halogénés ont été sélectionnés en utilisant des graphiques de solubilité en fonction du paramètre de cohésion fractionnaire des solvants. Un procédé d'optimisation à variable unique a été utilisé pour l'optimisation des différents paramètres du procédé d'électrofilage.  Les paramètres étudiés inclus le taux de solvant, la concentration en polymère, le voltage appliqué, le débit de la solution et la distance de la pointe au collecteur.  La microscopie électronique à balayage a été utilisée afin de caractériser la morphologie et le diamètre des nanofibres.  Les diamètres obtenus ont été tracé en fonction de chaque variable du procédé afin de déterminer les conditions de traitement optimales pour la production des plus petites fibres possible et le plus uniforme possible. Le diamètre mesuré des fibres filées a été modélisé, en fonction des paramètres de mise en œuvre, en utilisant la théorie du jet terminal.  Le courant électrique a été mesuré au cours de l'électrofilage et les résultats ont révélés de précieuses informations sur le mécanisme en jeu lors de l'électrofilage.  Les mouvements du jet tels que la flagellation ou le fractionnement ont un impact direct sur le diamètre des fibres et le courant électrique mesurés.  Les propriétés thermiques et la cristallinité des nanofibres résultantes ont été évaluées en utilisant la calorimétrie différentielle à balayage qui montre une augmentation de la cristallinité des nanofibres par rapport au polymère en vrac.  Enfin, la résistance à la traction et l'allongement des nanofibres résultantes ont été étudiés en utilisant une analyse mécanique dynamique qui a révélé une augmentation considérable de la résistance à la traction pour les mélanges de CP-PCL.


title: FATE AND EFFECT OF TRICLOSAN AND SULFAMETHOXAZOLE WITHIN MESO-SCALE VERTICAL FLOW CONSTRUCTED WETLANDS

title: DEVENIR ET LES EFFETS DU TRICLOSAN ET LE SULFAMÉTHOXAZOLE DANS MÉSO-ÉCHELLE ZONES HUMIDES ÉCOULEMENT VERTICAL CONSTRUITE

subject:
constructed wetlands
emerging contaminants

abstract: The presence of pharmaceuticals and personal care products are increasing in our natural environment due to their incomplete removal within traditional wastewater treatment plants. Constructed wetlands are used as secondary or tertiary wastewater treatment and as such may receive both pharmaceuticals and personal care products with subsequent implications for their treatment efficacy.  The aim of this study was to examine the fate and effects of antimicrobials in planted and unplanted vertical flow constructed wetlands. Twelve mesocosms were inoculated with activated sludge from the Cataraqui Bay Wastewater Treatment Plant. Six were planted with reed canary grass (Phalaris arundinacea) and the remaining six were left unplanted. The wetland mesocosms were assessed using a variety of parameters including water treatment (chemical oxygen demand removal rate), hydrological (porosity, evapotranspiration/evaporation) water quality (temperature, pH, specific conductivity, dissolved oxygen, redox potential, total dissolved solids), ecological (plant height and stem count), and microbial community function (community level physiological profiling).. Community-level physiological profiles were gathered for the wetland microbial community using Biolog EcoplatesTM. The development phase was initially characterized for all mesocosms over a ninety-day period to establish ecological stability. The microbial communities were then subjected to ex-situ, dose-response exposures (0 – 1000 μg/L) for trimethoprim, triclosan and sulfamethoxazole to gain an understanding of the ecotoxicity of these antimicrobials. Following the ex-situ exposures, in-situ exposures were performed with triclosan and sulfamethoxazole at low (100 μg/L) and high (500 μg/L) concentrations. The low concentration was selected based on literature reviews of the levels found in water bodies and the high concentration was selected to represent a shock-loading scenario. Hydrological, ecological and microbial parameters were monitored before, immediately after and over a recovery period of four weeks following each exposure. During the developmental period both the planted and unplanted mesocosms developed similarly and ecological stability was established. However, a distinct microbial community profile was observed in the planted mesocosms. In the ex-situ dose-response experiments the effect of trimethoprim was negligible on the planted microbial communities but with some removal of microbial function for the unplanted microbial communities. Triclosan exposure led to a moderate decline in microbial function for both the planted and unplanted communities. Sulfamethoxazole exposure led to a severe decline in microbial function in both the planted and unplanted microbial communities, so much so that negligible activity was observed at 1000 μg/L. Following the in-situ low and high exposures of triclosan and sulfamethoxazole there was a significant removal of the compounds (>80%) from the mesocosm water column.  The effects of both low and high triclosan and sulfamethoxazole exposures were minimal within the exposed mesocosms. There were no major changes observed with respect to the water treatment ability, hydrological or ecological parameters. Following the low triclosan exposure, the planted microbial communities showed some removal of microbial activity in the week following the exposure while the unplanted microbial communities were unaffected. No other microbial community effects were observed for any of the exposure scenarios. Following sulfamethoxazole exposures, the water treatment ability (COD removal rate) of the exposed mesocosm systems was reduced in some cases, however not consistently. No adverse effects on water treatment ability were observed for the triclosan exposures. Over the course of these experiments, the planted and unplanted mesocosms continued to develop distinct microbial community profiles. These findings suggest that whilst triclosan and sulfamethoxazole are potentially harmful to wetland microbial communities, based on ex-situ results, they have a limited effect within the wetland mesocosms (in-situ). Based upon these observations, vertical flow constructed wetland have shown to be robust and able to handle shock loads from these common pharmaceutical compounds. Further research should examine longer-term and multiple compound antimicrobial exposures to gain a better understanding the fate and effect of pharmaceuticals in constructed wetlands.

abstract: La présence de produits pharmaceutiques et de soins personnels sont en augmentation dans notre environnement naturel en raison de leur utilisation croissante et une élimination incomplète au sein des usines traditionnelles de traitement des eaux usées. Les marais artificiels sont de plus en plus utilisés comme traitement d'eaux usées secondaire ou tertiaire et en tant que tel peut recevoir à la fois des produits pharmaceutiques et de soins personnels qui a des répercussions subséquentes sur leur efficacité de traitement. Le but de cette étude était d'examiner le devenir et les effets des antibiotiques dans l'écoulement marais artificiels verticaux plantés et non plantés. Douze mésocosmes ont été inoculées avec des boues activées à partir de l'usine de traitement d'eau de Cataraqui Bay. Six ont été plantés avec l'alpiste roseau (Phalaris arundinacea) et les six autres ont été laissés en friche. Les mésocosmes de zones humides ont été évaluées en utilisant une gamme de paramètres, y compris le traitement de l'eau (taux de DCO), l’hydrologie (porosité, l'évapotranspiration), laqualité de l'eau (température, pH, conductivité spécifique, l'oxygène dissous, potentiel redox, les solides dissous totaux), l’écologie (hauteur de la plante et le nombre de tiges), et la fonction des communautés microbiennes (niveau de la communauté profilage physiologique. Profils physiologiques au niveau communautaire ont été recueillis pour la communauté des zones humides microbiennes à l'aide Biolog EcoplatesTM. La phase de développement a été initialement caractérisée pour tous les mésocosmes sur une période de quatre-vingt-dix jours pour établir la stabilité écologique. Les communautés microbiennes ont ensuite été soumis à une exposition ex-situ, dose-réponse (0-1000 μg/L) pour le triméthoprime, le triclosan et le sulfaméthoxazole d'acquérir une compréhension de l'écotoxicité de ces antimicrobiens. Après les expositions ex situ, des expositions in situ ont été réalisées avec le triclosan et le sulfaméthoxazole à faible (100 μg/L) et haute (500 μg/L) concentrations. La faible concentration a été choisi sur la base des analyses documentaires des niveaux trouvés dans les masses d'eau et la forte concentration a été sélectionné pour représenter un scénario choc de chargement. Paramètres hydrologiques, écologiques et microbiennes ont été surveillé avant, immédiatement après et pendant une période de récupération de quatre semaines suites à l'exposition. Au cours de la période de développement à la fois les mésocosmes plantés et non plantés ont évolué de façon similaire et la stabilité écologique a été créé. Cependant, un profil de la communauté microbienne distincte a été observé dans les mésocosmes plantés. Dans les expériences dose-réponse ex-situ l'effet de triméthoprime a été négligeable sur les communautés microbiennes plantées mais avec une certaine diminution de la fonction microbienne pour les communautés microbiennes non plantés. Exposition à tricolosana conduit à une baisse modérée de la fonction microbienne pour les communautés plantés et non plantés. Exposition à sulfaméthoxazole a conduit à une baisse sévère de la fonction microbienne dans les communautés microbiennes plantés et non plantés, de telle sorte que l'activité négligeable a été observée à 1000 μg/L. Après les expositions in situ faibles et élevées de triclosan et le sulfaméthoxazole il y avait une élimination significative des composés (> 80%) de la colonne d'eau de mésocosme. Les effets des deux expositions faibles et élevés de triclosan et sulfaméthoxazole étaient minimes dans les mésocosmes exposés. Il n'y avait pas de grands changements observés par rapport à la capacité de traitement de l'eau ou  par rapport aux paramètres hydrologique ou  écologiques. Suite à l'exposition triclosan faible, les communautés microbiennes plantées ont montré une réduction de l'activité microbienne dans la semaine suivant l'exposition, tandis que les communautés microbiennes non plantés ne sont pas affectées. Aucun autre effet des communautés microbiennes ont été observées pour tous les scénarios d'exposition. Après les expositions sulfaméthoxazole, la capacité de traitement de l'eau (taux de DCO) des systèmes de mésocosmes exposés a été réduit dans certains cas, mais pas toujours. Aucun effet néfaste sur la capacité de traitement de l'eau a été observée pour les expositions de triclosan. Au cours de ces expériences, les mésocosmes plantés et non plantés continué à élaborer des  profils des communautés microbiennes distinctes. Ces résultats suggèrent que, bien que le triclosan et le sulfaméthoxazole sont potentiellement dangereux pour des zones humides communautés microbiennes, en fonction des résultats ex-situ, ils ont un effet limité dans les mésocosmes des zones humides (in situ). Sur la base de ces observations, les experiences ont montré que lécoulement marais artificiels verticaux est  robuste et capable de gérer les charges de choc de ces composés pharmaceutiques courants. D'autres recherches devraient examiner à plus long terme et de multiples expositions antimicrobiens composés afin de mieux comprendre le devenir et les effets des produits pharmaceutiques dans les zones humides artificielles.