identifier: Gomanne, S.-A. (2018). Réalisation d'une antenne réflecteur reconfigurable basée sur l'utilisation de réseaux transmetteurs  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les avancées technologiques ont permis un développement important du secteur spatial, et le nombre de satellites artificiels lancés dans l'espace ne cesse de croître. Cet essor est accompagné de l'augmentation de la durée de vie des satellites et de leurs performances, induisant un besoin de reconfigurabilité de la part des antennes. Effectivement, la flexibilité de couvertures des systèmes d'antennes permettant le dépointage, la création de zéros ou la formation de toute forme de couverture, est désormais très recherchée pour de nombreuses applications dans les communications par satellite. Actuellement, la technique la plus répandue est la modification spatiale ou structurelle des réflecteurs ou des sous-réflecteurs qui peut être effectuée grâce à des petits rotors. Les réseaux à commande électronique de phase et les réseaux d'illumination sont également employés, cependant, ces 3 systèmes nécessitent une grande complexité et un coût important. Récemment, des systèmes prometteurs tels que les réseaux réflecteurs et les réseaux transmetteurs, système apparentés de par leurs fonctionnements, sont apparus. Néanmoins, bien que les réseaux réflecteurs aient démontré de bonnes performances, des réflexions incontrôlées de la puissance pour certains angles d'incidence peuvent apparaître. Conséquemment, les réseaux transmetteurs offrant de nombreux avantages tels qu'un gain élevé, une forte efficacité de rayonnement, ou une fabrication légère et simple, ce système est particulièrement attrayant depuis plusieurs années. L'objectif de ces recherches est donc d'aboutir à la fabrication d'un système d'antenne à réflecteur reconfigurable basé sur l'utilisation de réseaux transmetteurs pour des applications satellites en bande K, constituant la suite des recherches entreprises par le docteur Nematollahi. Un système mécanique permettant l'interchangeabilité des réseaux transmetteurs assurerait alors la reconfigurabilité passive visée, et par conséquent la formation de tout diagramme de rayonnement. Un cornet diagonal illumine la surface de cellules du réseau transmetteur, qui applique alors une modulation de phase sur le signal qui est ensuite réfléchi vers le réflecteur placé en offset du système. Néanmoins, ces réseaux transmetteurs reposent sur l'utilisation de cellules unitaires dont la largeur de bande est un facteur limitant. Dans un premier temps, il était donc nécessaire de procéder à la création, et plus exactement à l'optimisation, de la librairie des cellules unitaires.  ABSTRACT: Nowadays, with the increase of satellite on-orbit lifetime, reconfigurable antennas with high gain are needed for satellite telecommunications applications. Indeed, having flexibility in antenna system could allow in-flight changes of radiation performance, such as beam-shaping or null forming, and consequently allow more possibilities for satellites missions. Recently, reflectarrays and transmitarrays have been proposed as an alternative to shaped reflectors, phased array or illumination array control, that require high complexity and high cost. However, even if reflectarrays have shown good performances, they still exhibit uncontrolled power reflection for certain angles of incidence. In addition, transmitarrays do not suffer from blocking problem, which has made the system particularly attractive for several years. Transmitarrays, also called discrete lenses, constitute one of the most attractive areas in terms of high gain antennas thanks to the numerous advantages they offer: high radiation gain, high efficiency, flexibility of radiation characteristics, low-profile, lightweight and simple manufacturing. They can be used for beam reconfiguration by changing the phase distribution, either with tunable elements, such as PIN diodes, varactors, or MEMS, or with passive elements, more reliable and less lossy. Nonetheless, the main limitation is the bandwidth, limited by the unit cells topology. This research continues the work undertaken by doctor Hoda Nematollahi and seeks to prove that a reconfigurable reflector antenna can be realized by the use of transmitarrays. The proposed solution is then composed by a horn illuminating a transmitarray, the reconfigurable phase filtering, transmitting the signal to an offset parabolic reflector. A mechanical system would allow the changes of transmitarrays surfaces, thus ensuring the reconfigurability of the antenna radiation performance in the K band. As mentioned above, the actual main drawback of transmit-array is the limitation of the cells bandwidth. This is why the first step of this study has been the creation, and more exactly the optimization, of a broadband unit cell library. Nine states of four-layer unit cells allowing a transmission phase range of 360� with minimum losses at 19GHz have been achieved. The presented unit cells have larger bandwidth than the designs proposed in literature, with a 1 dB and 3 dB transmission bandwidths respectively of 8.5% and 14.7%. The effect of oblique incidence has also been studied for these cells. Then the fabrication of a Beam-tilt array and its measurements enabled the validation of the cells performance.


identifier: Bou Assi, E. (2018). Towards Accurate Forecasting of Epileptic Seizures: Artificial Intelligence and Effective Connectivity Findings  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: L'épilepsie est une des maladies neurologiques les plus fréquentes, touchant près d'un pourcent de la population mondiale. De nos jours, bien qu'environ deux tiers des patients épileptiques répondent adéquatement aux traitements pharmacologiques, il reste qu'un tiers des patients doivent vivre avec des crises invalidantes et imprévisibles. Quoique la chirurgie d'épilepsie puisse être une autre option thérapeutique envisageable, le recours à la chirurgie de résection demeure très faible en partie pour des raisons diverses (taux de réussite modeste, peur des complications, perceptions négatives). D'autres avenues de traitement sont donc souhaitables. Une piste actuellement explorée par des groupes de chercheurs est de tenter de prédire les crises à partir d'enregistrements de l'activité cérébrale des patients. La capacité de prédire la survenue de crises permettrait notamment aux patients, aidants naturels ou personnels médical de prendre des mesures de précaution pour éviter les désagréments reliés aux crises voire même instaurer un traitement pour les faire avorter. Au cours des dernières années, d'importants efforts ont été déployés pour développer des algorithmes de prédiction de crises et d'en améliorer les performances. Toutefois, le manque d'enregistrements électroencéphalographiques intracrâniens (iEEG) de longue durée de qualité, la quantité limitée de crises, ainsi que la courte durée des périodes interictales constituaient des obstacles majeurs à une évaluation adéquate de la performance des algorithmes de prédiction de crises. Récemment, la disponibilité en ligne d'enregistrements iEEG continus avec échantillonnage bilatéral (des deux hémisphères) acquis chez des chiens atteints d'épilepsie focale à l'aide du dispositif de surveillance ambulatoire implantable NeuroVista a partiellement facilité cette tâche. Cependant, une des limitations associées à l'utilisation de ces données durant la conception d'un algorithme de prédiction de crises était l'absence d'information concernant la zone exacte de début des crises (information non fournie par les gestionnaires de cette base de données en ligne). Le premier objectif de cette thèse était la mise en oeuvre d'un algorithme précis de prédiction de crises basé sur des enregistrements iEEG canins de longue durée. Les principales contributions à cet égard incluent une localisation quantitative de la zone d'apparition des crises (basée sur la fonction de transfert dirigé –DTF), l'utilisation d'une nouvelle fonction de coût via l'algorithme génétique proposé, ainsi qu'une évaluation quasi-prospective des performances de prédiction (données de test d'un total de 893 jours). Les résultats ont montré une amélioration des performances de prédiction par rapport aux études antérieures, atteignant une sensibilité moyenne de 84.82 % et un temps en avertissement de 10 %. La DTF, utilisée précédemment comme mesure de connectivité pour déterminer le réseau épileptique (objectif 1), a été préalablement validée pour quantifier les relations causales entre les canaux lorsque les exigences de quasi-stationnarité sont satisfaites. Ceci est possible dans le cas des enregistrements canins en raison du nombre relativement faible de canaux. Pour faire face aux exigences de non-stationnarité, la fonction de transfert adaptatif pondérée par le spectre (Spectrum weighted adaptive directed transfer function - swADTF) a été introduit en tant qu'une version variant dans le temps de la DTF. Le second objectif de cette thèse était de valider la possibilité d'identifier les endroits émetteurs (ou sources) et récepteurs d'activité épileptiques en appliquant la swADTF sur des enregistrements iEEG de haute densité provenant de patients admis pour évaluation pré-chirurgicale au CHUM. Les générateurs d'activité épileptique étaient dans le volume réséqué pour les patients ayant des bons résultats post-chirurgicaux alors que différents foyers ont été identifiés chez les patients ayant eu de mauvais résultats postchirurgicaux. Ces résultats démontrent la possibilité d'une identification précise des sources et récepteurs d'activités épileptiques au moyen de la swADTF ouvrant la porte à la possibilité d'une meilleure sélection d'électrodes de manière quantitative dans un contexte de développement d'algorithme de prédiction de crises chez l'humain. Dans le but d'explorer de nouvelles avenues pour la prédiction de crises épileptiques, un nouveau précurseur a aussi été étudié combinant l'analyse des spectres d'ordre supérieur et les réseaux de neurones artificiels (objectif 3). Les résultats ont montré des différences statistiquement significatives (p<0.05) entre l'état préictal et l'état interictal en utilisant chacune des caractéristiques extraites du bi-spectre. Utilisées comme entrées à un perceptron multicouche, l'entropie bispectrale normalisée, l'entropie carré normalisée, et la moyenne ont atteint des précisions respectives de 78.11 %, 72.64% et 73.26%. Les résultats de cette thèse confirment la faisabilité de prédiction de crises à partir d'enregistrements d'électroencéphalographie intracrâniens. Cependant, des efforts supplémentaires en termes de sélection d'électrodes, d'extraction de caractéristiques, d'utilisation des techniques d'apprentissage profond et d'implémentation Hardware, sont nécessaires avant l'intégration de ces approches dans les dispositifs implantables commerciaux.  ABSTRACT: Epilepsy is a chronic condition characterized by recurrent “unpredictable” seizures. While the first line of treatment consists of long-term drug therapy about one-third of patients are said to be pharmacoresistant. In addition, recourse to epilepsy surgery remains low in part due to persisting negative attitudes towards resective surgery, fear of complications and only moderate success rates. An important direction of research is to investigate the possibility of predicting seizures which, if achieved, can lead to novel interventional avenues. The paucity of intracranial electroencephalography (iEEG) recordings, the limited number of ictal events, and the short duration of interictal periods have been important obstacles for an adequate assessment of seizure forecasting. More recently, long-term continuous bilateral iEEG recordings acquired from dogs with naturally occurring focal epilepsy, using the implantable NeuroVista ambulatory monitoring device have been made available on line for the benefit of researchers. Still, an important limitation of these recordings for seizure-prediction studies was that the seizure onset zone was not disclosed/available. The first objective of this thesis was to develop an accurate seizure forecasting algorithm based on these canine ambulatory iEEG recordings. Main contributions include a quantitative, directed transfer function (DTF)-based, localization of the seizure onset zone (electrode selection), a new fitness function for the proposed genetic algorithm (feature selection), and a quasi-prospective assessment of seizure forecasting on long-term continuous iEEG recordings (total of 893 testing days). Results showed performance improvement compared to previous studies, achieving an average sensitivity of 84.82% and a time in warning of 10 %. The DTF has been previously validated for quantifying causal relations when quasistationarity requirements are met. Although such requirements can be fulfilled in the case of canine recordings due to the relatively low number of channels (objective 1), the identification of stationary segments would be more challenging in the case of high density iEEG recordings. To cope with non-stationarity issues, the spectrum weighted adaptive directed transfer function (swADTF) was recently introduced as a time-varying version of the DTF. The second objective of this thesis was to validate the feasibility of identifying sources and sinks of seizure activity based on the swADTF using high-density iEEG recordings of patients admitted for pre-surgical monitoring at the CHUM. Generators of seizure activity were within the resected volume for patients with good post-surgical outcomes, whereas different or additional seizure foci were identified in patients with poor post-surgical outcomes. Results confirmed the possibility of accurate identification of seizure origin and propagation by means of swADTF paving the way for its use in seizure prediction algorithms by allowing a more tailored electrode selection. Finally, in an attempt to explore new avenues for seizure forecasting, we proposed a new precursor of seizure activity by combining higher order spectral analysis and artificial neural networks (objective 3). Results showed statistically significant differences (p<0.05) between preictal and interictal states using all the bispectrum-extracted features. Normalized bispectral entropy, normalized squared entropy and mean of magnitude, when employed as inputs to a multi-layer perceptron classifier, achieved held-out test accuracies of 78.11%, 72.64%, and 73.26%, respectively. Results of this thesis confirm the feasibility of seizure forecasting based on iEEG recordings; the transition into the ictal state is not random and consists of a “build-up”, leading to seizures. However, additional efforts in terms of electrode selection, feature extraction, hardware and deep learning implementation, are required before the translation of current approaches into commercial devices.


identifier: Kauffmann, T. (2018). Modeling of Wind Parks for Steady State Short Circuit Studies  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La part croissante des énergies renouvelables dans la production d'électricité impose une adaptation des systèmes de protection des réseaux électriques. Ceci est dû au fait que ces énergies renouvelables utilisent majoritairement l'électronique de puissance, et que leurs comportements en conditions transitoires sont différents de ceux des centrales électriques fonctionnant avec des génératrices synchrones. Le comportement de ces énergies renouvelables est dicté par le contrôleur des convertisseurs, et en principe, ce comportement en conditions de court-circuit peut être reproduit de manière précise avec des logiciels de simulation dynamique ou transitoire. Cependant les progiciels de protection et de court-circuit utilisés par les ingénieurs fonctionnent avec des outils d'analyse en régime permanent dans le domaine phaseur. L'objectif principal de cette thèse est de développer un modèle phaseur de parc photovoltaïque ou éolien qui donne la contribution de courant en conditions permanentes de court-circuit. Le modèle phaseur est développé pour les éoliennes de type-III et type-IV. La répresentation de la séquence inverse et d'un contrôleur de parc sont aussi développés. Le modèle de type-IV peut aussi représenter un parc photovoltaïque comme tous deux transmettent l'ensemble de leur puissance via un onduleur. Les modèles phaseur sont validés avec des modèles temporels détaillés, construits dans le logiciel EMTP-RV. Ces modèles temporels ont été construits et améliorés grâce à des retours d'un des leaders européens de la fabrication d'éoliennes. Les modèles phaseur prennent en compte le comportement des contrôleurs de convertisseurs et différentes stratégies de contrôle associées. Pour les grands parcs éoliens connectés au réseau haute tension, le point de contrôle est situé au point d'interconnection du parc. Les différentes stratégies de contrôle agissent sur la tension, la puissance réactive ou le facteur de puissance. En plus de ces 3 modes de contrôle, un mode d'alimentation sans panne (Fault Ride Through en anglais) est aussi disponible pour relever la tension pendant les court-circuits. Un limiteur de courant protège les convertisseurs contre les surintensités, et fonctionne en donnant la priorité à la composante active ou réactive du courant. Ce limiteur est indispensable mais ajoute un comportement non linéaire au contrôleur. Les modèles phaseur présentés donnent le comportement de séquence inverse avec 2 niveaux de precision : simple et détaillé. Ces deux niveaux ne s'appliquent qu'aux contrôleurs qui ne régulent pas directement leur courant de séquence inverse.  ABSTRACT: The increasing share of renewable energy resources in electricity generation requires reassessment of protection systems. This is due to the fact that renewables are often electronically coupled to the grid and their behavior under transient conditions is different from the behavior of power plants generating power using classical synchronous generators. The behavior of electronically coupled generators depends on the controllers of their converters, and in principle, their precise simulation under short-circuit conditions is possible using dynamic or transient tools which allow detailed modeling of controllers. However, protection and short-circuit software packages used by practicing engineers depend on steady-state solution engines built in phasor domain. The main objective of this thesis is to develop steady-state phasor models of wind and solar parks that provide their current contribution under steady-state short-circuit conditions. The steady-state models are developed for type-III and type-IV wind turbine generators. Negative sequence control and park controller options are also considered. The Type-IV model can also be used for modeling solar plants since both sources are connected via full converters. The steady-state models are validated using a detailed time-domain model that is developed in EMTP-RV software with the feedback of a leading European manufacturer of wind turbines. The phasor models take into account the behavior of converter conrollers and various control strategies associated with it. For large-scale wind parks connected to high voltage networks, the point of control is located at the point of interconnection of the park. The control strategies act on voltage, reactive power or power factor. In addition to these three control modes, a fault ride through mode is also available to support voltage during fault conditions. A current limiter protects the converters against overcurrent, and operates with P- or Q-priority. This limiter is indispensable but introduces a non-linear behavior. The phasor models take into account the natural negative sequence response of the wind turbine generator with two levels of precision if the controllers are not set to regulate negative sequence: simplified and detailed. Higher precision requires more details about the controller, such as the gains of the inner loop proportional-integral controller.


identifier: Playout, C. (2018). Système d'apprentissage multitâche dédié à la segmentation des lésions sombres et claires de la rétine dans les images de fond d'oeil  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le travail de recherche mené dans le cadre de cette maîtrise porte sur l'exploitation de l'imagerie de la rétine à des fins de diagnostic automatique. Il se concentre sur l'image de fond d'oeil, qui donne accès à une représentation en deux dimensions et en couleur de la surface de la rétine. Ces images peuvent présenter des symptômes de maladie, sous forme de lésions ou de déformations des structures anatomiques de la rétine. L'objet de cette maîtrise est de proposer une méthodologie de segmentation simultanée de ces lésions dans l'image de fond d'oeil, regroupées en deux catégories : claires ou sombres. Réaliser cette double segmentation de façon simultanée est inédit : la vaste majorité des travaux précédents se concentrant sur un seul type de lésions. Or, du fait des contraintes de temps et de la difficulté que cela représente dans un environnement clinique, il est impossible pour un clinicien de tester la multitude d'algorithmes existants. D'autant plus que lorsqu'un patient se présente pour un examen, le clinicien n'a aucune connaissance a priori sur le type de pathologie et par conséquent sur le type d'algorithme à utiliser. Pour envisager une utilisation clinique, il est donc important de réfléchir à une solution polyvalente, rapide et aisément déployable. Parallèlement, l'apprentissage profond a démontré sa capacité à s'adapter à de nombreux problèmes de visions par ordinateur et à généraliser ses performances sur des données variées malgré des ensembles d'entraînement parfois restreints. Pour cela, de nouvelles stratégies sont régulièrement proposées, ambitionnant d'extraire toujours mieux les informations issues de la base d'entraînement. En conséquence, nous nous sommes fixés pour objectif de développer une architecture de réseaux de neurones capable de rechercher toutes les lésions dans une image de fond d'oeil. Pour répondre à cet objectif, notre méthodologie s'appuie sur une nouvelle architecture de réseaux de neurones convolutifs reposant sur une structure multitâche entraînée selon une approche hybride faisant appel à de l'apprentissage supervisé et faiblement supervisé. L'architecture se compose d'un encodeur partagé par deux décodeurs spécialisés chacun dans un type de lésions. Ainsi, les mêmes caractéristiques sont extraites par l'encodeur pour les deux décodeurs. Dans un premier temps, le réseau est entraîné avec des régions d'images et la vérité terrain correspondante indiquant les lésions (apprentissage supervisé). Dans un second temps, seul l'encodeur est ré-entraîné avec des images complètes avec une vérité terrain composé d'un simple scalaire indiquant si l'image présente des pathologies ou non, sans préciser leur position et leur type (apprentissage faiblement supervisé).  ABSTRACT: This work focuses on automatic diagnosis on fundus images, which are a bidimensional representation of the inner structure of the eye. The aim of this master's thesis is to discuss a solution for an automatic segmentation of the lesions that can be observed in the retina. The proposed methodology regroups those lesions in two categories: red and bright. Obtaining a simultaneous double segmentation is a novel approach; most of the previous works focus on the detection of a single type of lesions. However, due to time constraints and the tedeous nature of this work, clinicians usually can not test all the existing methods. Moreover, from a screening perspective, the clinician has no clue a priori on the nature of the pathology he deals with and thus on which algorithm to start with. Therefore, the proposed algorithm requires to be versatile, fast and easily deployable. Conforted by the recent progresses obtained with machine learning methods (and especially deep learning), we decide to develop a novel convolutional neural network able to segment both types of lesions on fundus images. To reach this goal, our methodology relies on a new multitask architecture, trained on a hybrid method combining weak and normal supervised training. The architecture relies on hard parameter sharing: two decoders (one per type of lesion) share a single encoder. Therefore, the encoder is trained on deriving an abstrast representation of the input image. Those extracted features permit a discrimination between both bright and red lesions. In other words, the encoder is trained on detecting pathological tissues from normal ones. The training is done in two steps. During the first one, the whole architecture is trained with patches, with a groundtruth at a pixel level, which is the typical way of training a segmentation network. The second step consists in weak supervision. Only the encoder is trained with full images and its task is to predict the status of the given image (pathological or healthy), without specifying anything concerning the potential lesions in it (neither location nor type). In this case, the groundtruth is a simple boolean number. This second step allows the network to see a larger number of images: indeed, this type of groundtruth is considerably easier to acquire and already available in large public databases. This step relies on the hypothesis that it is possible to use an annotation at an image level (globally) to enhance the performance at a pixel level (locally). This is an intuitive idea, as the pathological status is directly correlated with the presence of lesions.


identifier: Moheb Pour, M. R. (2018). Automatic Mesh-Based Segmentation of Multiple Organs in MR Images  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: ABSTRACT: Segmentation of multiple anatomical structures in MR images is often required for biomedical engineering applications such as clinical simulation, image-guided surgery, treatment planning, etc. Moreover, there is a growing need for automatic segmentation of multiple organs and complex structures from this medical imaging modality. Many successful multi-object segmentation attempts were introduced for CT images. However in the case of MR images it is a more challenging task due to intensity inhomogeneity and variability of anatomy appearance. Therefore, state-of-the-art in multi-object MR segmentation is very inferior to that of CT images. In literature dealing with MR image segmentation, the region-based approaches are sensitive to noise and non-uniformity in the input image. The edge-based approaches are challenging to group the edge information into a coherent closed contour. The atlas-based techniques can be problematic for complicated structures with anatomical variability. Deformable models are among the most popular methods for automatic detection of different organs in MR images. However they still have an important limitation which is that they are sensitive to initial position and shape of the model. An unsuitable initialization may provide failure to capture the true boundaries of the objects. On the other hand, a useful aim for an automatic multi-object MR segmentation is to provide a model which promotes understanding of the structural features of the distinct objects within the MR images. The current automatic initialization methods which have used different descriptors are not completely successful in extracting multiple objects from MR images and we need to find richer information that is available from edges. In this regard, anisotropic adaptive meshes seem to be a potential solution to the aforesaid limitation. Anisotropic adaptive meshes constructed from MR images contain higher level, abstract information about the anatomical structures of the organs within the image retained as the elements shape and orientation. Existing methods for constructing adaptive meshes based on image features have a practical limitation where manifest itself in inadequate mesh elements alignment to inclined edges in the image. Therefore, we also have to enhance mesh adaptation process to provide a better mesh-based representation. In this Ph.D. project, considering the highlighted limitations we are going to present a novel method for automatic segmentation of multiple organs in MR images by incorporating mesh adaptation techniques. In our progress, first, we improve an anisotropic adaptation process for the meshes that are constructed from MR images where the mesh elements align adequately to the image content and improve mesh anisotropy along edges in all directions. Then the resulting adaptive meshes are used for initialization of multiple active models which leads to extract initial object boundaries close to the true boundaries of multiple objects simultaneously. Finally, the Vector Field Convolution method is utilized to guide curve evolution towards the object boundaries to obtain the final segmentation results and present a better performance in terms of speed and accuracy.  ABSTRACT: Segmentation of multiple anatomical structures in MR images is often required for biomedical engineering applications such as clinical simulation, image-guided surgery, treatment planning, etc. Moreover, there is a growing need for automatic segmentation of multiple organs and complex structures from this medical imaging modality. Many successful multi-object segmentation attempts were introduced for CT images. However in the case of MR images it is a more challenging task due to intensity inhomogeneity and variability of anatomy appearance. Therefore, state-of-the-art in multi-object MR segmentation is very inferior to that of CT images. In literature dealing with MR image segmentation, the region-based approaches are sensitive to noise and non-uniformity in the input image. The edge-based approaches are challenging to group the edge information into a coherent closed contour. The atlas-based techniques can be problematic for complicated structures with anatomical variability. Deformable models are among the most popular methods for automatic detection of different organs in MR images. However they still have an important limitation which is that they are sensitive to initial position and shape of the model. An unsuitable initialization may provide failure to capture the true boundaries of the objects. On the other hand, a useful aim for an automatic multi-object MR segmentation is to provide a model which promotes understanding of the structural features of the distinct objects within the MR images. The current automatic initialization methods which have used different descriptors are not completely successful in extracting multiple objects from MR images and we need to find richer information that is available from edges. In this regard, anisotropic adaptive meshes seem to be a potential solution to the aforesaid limitation. Anisotropic adaptive meshes constructed from MR images contain higher level, abstract information about the anatomical structures of the organs within the image retained as the elements shape and orientation. Existing methods for constructing adaptive meshes based on image features have a practical limitation where manifest itself in inadequate mesh elements alignment to inclined edges in the image. Therefore, we also have to enhance mesh adaptation process to provide a better mesh-based representation. In this Ph.D. project, considering the highlighted limitations we are going to present a novel method for automatic segmentation of multiple organs in MR images by incorporating mesh adaptation techniques. In our progress, first, we improve an anisotropic adaptation process for the meshes that are constructed from MR images where the mesh elements align adequately to the image content and improve mesh anisotropy along edges in all directions. Then the resulting adaptive meshes are used for initialization of multiple active models which leads to extract initial object boundaries close to the true boundaries of multiple objects simultaneously. Finally, the Vector Field Convolution method is utilized to guide curve evolution towards the object boundaries to obtain the final segmentation results and present a better performance in terms of speed and accuracy.


identifier: Germain, J.-F. (2018). Effet de l'oxydation et du dopage sur les modes Raman de couches minces de phosphore noir  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le phosphore noir est un semi-conducteur 2D très prometteur pour les prochaines générations de dispositifs électroniques. Il possède une bande interdite direct modulée par son épaisseur en plus d'avoir des propriétés électriques, mécaniques et optiques hautement anisotropes grâce à sa structure ondulée. La valeur de sa bande interdite se situe entre 1.8 eV pour la mono-couche et 0.33 eV pour le matériau massif. Tout comme les autres isotopes du phosphore, le phosphore noir est instable lorsque exposé aux conditions ambiantes d'air, d'eau et de lumière. Le processus d'oxydation ajoute des défauts à sa structure et crée de l'acide phosphorique à sa surface. Lorsque exposé à de grands champs électriques induits par l'adsorption d'atomes de potassium, la bande interdite de couches minces de phosphore noir diminue dûe à l'effet Stark. La fermeture du gap, soit la transition de semi-conducteur à semi-métal, a été observée pour des concentrations surfaciques d'électrons au delà de 8 ×10 13 cm −2. Ce mémoire porte sur la caractérisation optique de couches minces de phosphore noir à l'aide de la spectroscopie Raman. L'objectif est d'identifier des marqueurs du spectre Raman pour l'oxydation et la transition de semi-conducteur à semi-métal. Pour y arriver, les modes actifs en Raman A1g et A2g sont étudiés en fonction du temps d'oxydation, du dopage au potassium et de l'énergie d'excitation. L'expérience d'oxydation a permis d'établir la présence des modes phonon-défauts, soit des modes Raman de second-ordre activés par les défauts dans le matériau. L'intensité des modes phonon-défauts dépend de la densité de défauts ainsi que de l'énergie d'excitation. Les expériences de dopages ont permis de caractériser la modulation de la bande interdite grâce au ratio des intensités D/Ag. Les résultats de cette recherche permettront de mieux caractériser les couches minces de phosphore noir. Les résultats de l'expérience d'oxydation permettront de quantifier la qualité et la pureté des échantillons. Les résultats de l'expérience de dopage permettront de quantifier la modulation du gap à partir de la spectroscopie Raman. Ces conclusions assisteront la recherche et le développement de technologies à base de couches minces de phosphore noir.  ABSTRACT: Black phosphorus is a 2D semiconductor material exhibiting a thickness-tunable direct bandgap and pronounced electrical, mechanical, and optical in-plane anisotropies resulting from its puckered structure. Its energy gap range from 1.8 eV for the monolayer to 0.33 for the bulk material. Black phosphorus is unstable when exposed to ambient conditions of air, water and light. The oxidation process adds defects in the structure and creates phosphorus acid onto its surface. Exposed to the high electric field induced by adsorbed potassium atoms, the band gap of few-layer black-phosphorus shrinks. At doping levels above 8 ×10 13 cm −2, a semiconductor to semimetal transition is observed. We aim to explain these mechanisms with Raman spectroscopy by identifying markers of the oxidation process and semiconductor to semimetal transition. To achieve this, we analyse the evolution of Raman-allowed A1g and A2g modes as a function of oxidation time, potassium doping, and excitation wavelength. The oxidation experiments reveal the presence of phonondefect modes, second-order Raman modes activated by defects in the structure, and its excitation wavelength dependence. The doping experiments allow us to identify changes of the band-gap energy with the D/Ag ratio. These results will help the community with a better understanding of the Raman spectra of black phosphorus and a way to measure the defect density with the phonon-defect modes. These modes also provide evidence of the gap modulation due to an electric field.


identifier: Laprise, G. (2018). Nouveaux estimateurs pour l'optimisation des systèmes automatisés de négociation d'options  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les options sont des produits financiers modernes permettant une approche stratégique à l'investissement. Les possibilités qui s'offrent à l'investisseur avec l'utilisation de ces produits sont vastes. Certains investisseurs les utilisent de manière subjective pour prendre position dans le marché et d'autres développent des stratégies plus systématiques afin d'enrichir leur portefeuille. L'objectif de ce mémoire est d'améliorer le rendement composé annuellement, ajusté au risque, des systèmes automatisés de négociation d'options comparativement aux méthodes usuelles. Deux contributions principales ont été faites pour y arriver. Premièrement, nous avons développé un estimateur de la moyenne de gain, conditionnelle à un ensemble d'information, d'une stratégie quelconque d'options. Deuxièmement, nous avons formulé un nouveau problème d'optimisation à variables discrètes pour la sélection des paramètres des stratégies. De plus, nous avons utilisé un algorithme de résolution avec des propriétés de convergence. Une contribution secondaire a été le développement d'un algorithme pour la liquidation des stratégies exploitant un ensemble d'information. Les performances de notre système ont été simulées en utilisant des données historiques et un ensemble d'information standard. Les résultats de ces simulations montrent que notre système mène à des rendements supérieurs aux systèmes usuels avec un niveau de risque comparable, dans certains cas. Les meilleurs résultats sont obtenus lorsque l'on utilise seulement des options sur indice. Les simulations utilisant des options sur action et indice mènent à des rendements moins élevés. De plus, notre algorithme de liquidation permet de réduire le risque du système en gardant un rendement relativement stable. Le mémoire se déroulera comme suit. Nous allons débuter en introduisant tous les concepts importants reliés à la négociation d'options et aux marchés financiers. Ensuite, nous ferons une revue de littérature exhaustive des systèmes de négociation automatiques d'options existants. Nous discuterons des lacunes de ces systèmes ainsi que des liens avec le nôtre. Puis, nous effectuerons le développement théorique des éléments de notre système de négociation. Finalement, nous expliquerons comment nous avons mis en place et simulé notre système et nous présenterons les résultats.  ABSTRACT: Option trading has grown in popularity over the last few decades. These financial products can be used to create a vast array of different trading strategies. A lot of investors use options to take positions, in financial markets, expressing their opinion. Other investors develop systematic methods of investing using options. The aim of this master's thesis is to improve the annually compounded return, adjusted to risk, of systematic option trading systems compared to common option trading methods. To achieve this goal, two main contributions were made. First, we developed an estimator of the mean, conditional to an information set, of the gain of any option strategy. Second, we formulated a new discrete optimisation problem for the selection of strategy parameters and solved it using a converging algorithm. We also developed an algorithm based on our estimator to liquidate existing positions. The performance of our automated trading system was simulated using a historical dataset and a common information set. Results show that the annually compounded return of our system is higher than common methods, with similar risk characteristics, in certain situations. Simulations that only included index options produced the best results, while those including stock options had a lesser performance. Furthermore, our results suggest that the use of an algorithm for liquidation of existing positions tends to reduce the risk while keeping similar returns. This master's thesis will be divided in four sections. In the first section, we will introduce every necessary concept relating to option trading and financial markets. The second section will present an exhaustive literature review of existing methods in automated option trading. We will concurrently analyze the existing literature and outline the difference between existing systems and ours. In the third section, we will lay out the mathematics behind our system. In the last section, we will detail the way in which the theoretical system was implemented and display the results of the simulations.


identifier: de Lille, V. T. (2018). Caractérisation de la nanocavitation de nanoparticules plasmoniques irradiées hors-résonance par impulsions ultra-brèves  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ces dernières années, la génération de nano-bulles plasmoniques a suscité un vif intérêt dans le domaine de la recherche. Elles trouvent une place particulièrement importante en nanochirurgie cellulaire où des nano-bulles sont induites près de la membrane cellulaire dans le but de la perturber ou la perforer. Ainsi, il est possible d'y introduire des médicaments, des brins d'ADN pour de la thérapie génique ou même de l'endommager pour induire sa mort. En irradiant la zone ciblée avec un laser à impulsions focalisé, un plasma est formé au point focal et permet de générer cette bulle. L'idée d'y inclure des nanoparticules permet de concentrer l'énergie optique dans un petit volume à leur voisinage et d'assurer un ciblage précis des zones à traiter. La bulle est dans ce cas produite par le chauffage de la nanoparticule. Cependant, un problème sous-jacent est qu'une élévation de température trop importante peut déformer ces nanoparticules. Celles-ci ne sont alors plus capables de générer des bulles. Elles peuvent également se fragmenter et poser des problèmes de cytotoxicité. Récemment, une nouvelle méthode pour générer des bulles par interaction hors-résonance a été mise en évidence. En irradiant les nanoparticules à une longueur d'onde légèrement décalée de leur résonance, on peut former un nano-plasma dû à l'amplification locale de champ autour de la nanoparticule. Ce plasma permet de produire une bulle sans chauffer la nanoparticule, diminuant ainsi les risques de l'endommager. Ce mécanisme alternatif dépend fortement des conditions d'irradiations et des caractéristiques des nanoparticules. Actuellement, peu de données expérimentales sont disponibles sur l'irradiation hors-résonance des nanoparticules sphériques. Une des premières raisons est le grand nombre de variables pour une expérience de cavitation par irradiation de nanoparticules. Les paramètres d'irradiation comme la longueur d'onde, la durée de l'impulsion ou encore le mode d'irradiation peuvent aller respectivement de l'UV à l'infrarouge, du continu au femtoseconde et de l'impulsion unique à un train d'impulsions. En spécifiant l'étude à l'irradiation hors-résonance, on réduit drastiquement les données de la littérature à quelques ensembles de valeurs. Plusieurs modèles théoriques existent aussi à ce jour, décrivant le comportement des nanoparticules sphériques pour différents paramètres. Le modèle multi-échelle et la conception robuste (Rational Design ) tout deux développés dans notre laboratoire en sont des exemples. Cependant,ils s'accompagnent de peu de résultats expérimentaux. L'objectif ici présenté est une étude quantitative sur l'irradiation hors-résonance des nanoparticules sphériques, indispensables pour affiner la compréhension des mécanismes mis en jeu et tester le pouvoir de prédiction de ces modèles.  ABSTRACT: The generation of nanobubbles around nanoparticules in liquid by ultrafast off-resonance irradiation is studied. When focusing a laser on a targeted area, a plasma is generated at the focal point and can create those vapor nanobubbles. The idea to include nanoparticules allows to concentrate optical energy in a small volume and guarantees an improved targeting of the areas to be treated. In this case, the bubbles is produced through the heating of the nanoparticle. However, an underlying problem is the potential deformation of the nanoparticle due to an elevated temperature. Those are no longer able to generate bubbles. Also, they can fragment and raise safety concerns. We concentrate our study in the off-resonance irradiation regime. Using a slightly detuned wavelength from their plasmon resonance, a nanoplasma can be produced by the near-field amplification around the nanoparticle. This plasma can generate bubble while avoiding heating, reducing risk of fragmentation. This plasma-mediated mechanism is strongly dépendent on the time regime of the irradiation and the nanoparticle plasmon resonance. Currently, few experimental data are available about off-resonance irradiation of spherical nanoparticles. One of the primary reasons is the broad range of variables for that kind of experiments. For example, the irradiation wavelength can cover from the UV to infrared region, the pulse duration can be between a continuous laser to a femtosecond regime and finally the irradiation can use single pulse or a pulse train. Restricting to off-resonance study,the quantity of data available in the literature are drastically cut to a few materials. Some theoretical models exist, they are precious tools to describe the behavior of nanoparticles for various experimental conditions. The multiscale modelling and the Rational Design both developed in our laboratory are examples.In this context, this work aims to perform a quantitative study on off-resonance irradiation of spherical nanoparticles, essential to a deeper understanding of the mechanisms involved and to test the predictive power of these models. However, characterizing numerous samples of nanoparticles requires a clear methodology including measurements, data processing and a definition of the cavitation threshold. In the literature, no standardized test exists. Multiples detection systems can be found with variable resolution or efficiency. Sometimes, cavitation threshold is defined with the transmission loss in the sample when a nanobubble deviate part of a probe beam or by the probability to detect a bubble. In both cases, methodology are seldom detailed. For the sake of simplicity and flexibility, a system based on a probe beam deviation had been chosen. Bubbles can be detected with a diameter starting from 800 nm.


identifier: Lefebvre-Brossard, A. (2018). Sur l'utilisation de réseaux de neurones dans un système de recommandations réciproques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le domaine de la recommandation de personne à personne comporte de multiples applications, mais il demeure moins bien étudié que celui de la recommandation de produits ou de services. Contrairement à la recommandation d'items, la recommandation de personnes doit tenir compte de la possibilité que la recommandation ne plaise pas nécessairement dans les deux sens, ce qui impose des difficultés supplémentaires et augmente la complexité. Dans les dernières années, les algorithmes à base de réseaux neuronaux ont su tirer parti des complexités présentes dans des domaines aussi divers que la vision informatique, le traitement du langage naturel et de la parole, et la génération d'images. Bien que leur utilisation pour les systèmes de recommandations en général ait été étudiée, l'utilisation des réseaux neuronaux est encore peu ou pas explorée dans le domaine de la recommandation de personne à personne. Nous explorons cette avenue. Nous avons utilisé des données provenant d'une plateforme qui permet de connecter deux personnes voulant apprendre l'une de l'autre. Cette base de données possède à la fois des données implicites sous la forme de vues de profils, de messages ou de rencontres, et des données explicites, les descriptions des offres et demandes ainsi que des mots-clés. L'algorithme créé pour faire les recommandations avec ces données est une combinaison de réseaux de neurones récurrents. Ceux-ci sont entraînés en essayant de prédire les données implicites à partir des données explicites. L'algorithme est comparé à l'approche classique d'analyse sémantique latente (Latent Semantic Analysis) sur la base des mesures de précision, rappel et score F1. Les résultats montrent que le nouvel algorithme prédit moins bien les données historiques lorsque peu de prédictions sont faites, mais que la qualité de celles-ci augmente plus vite avec le nombre de prédictions que le modèle comparé. Ceci se traduit par une meilleure précision lorsque le rappel est grand. Ce résultat est similaire lorsque les deux modèles sont augmentés d'une approche par filtres collaboratifs, bien que la différence s'amoindrit. L'utilisation d'agrégation des expertises par maximum ou moyenne ne semble pas avoir beaucoup d'effet pour l'un ou l'autre des modèles. Ce mémoire introduit une nouvelle approche pour les systèmes de recommandations permettant d'entraîner des modèles utilisant des données dépendant uniquement de l'utilisateur pour faire des recommandations aussi complexes et diversifiées que celles faites par les filtres collaboratifs.  ABSTRACT: People-to-people recommandations is a relatively new domain of study compared to recommender systems in general. Contrary to recommender systems where items are recommended to people, the recommendation of people has to take into account the fact that recommendations may be not be as good in the reversed direction. This factor increases the complexity of the recommendation. During the last few years, algortithms based on neural networks have been able to find patterns in domains as diverse as computer vision, natural language and speech processing, and image generation. While their use in recommender systems in general has been studied, work on this topic is still in its infancy and we find no contribution yet for people-to-people recommendation. We explore this avenue and use data from a platform where two people wanting to learn from another can connect. This dataset contains implicit data in the form of profile views, messages and meetings, as well as explicit data under the format of demand and offer textual descriptions and tags. The people-to-people recommender system developed is a neural network based on recurrent neurons and trained by trying to predict the implicit data from the explicit data. It is compared to the classical Latent Semantic Analysis approach based on precision, recall and F1 score metrics. The results show that the new algorithm does not do as well a job predicting historical data when few predictions are made, but that the quality goes up more quickly with the number of predictions made than the compared model. This is shown by a better precision when recall is large. The result is similar when both models are augmented with collaborative filters, but with a smaller difference between them. The use of different pooling methods by maximum or mean doesn't seem to have much of an effect on either model. This model introduces a new approach for recommender systems that enables them to use data depending only on the user to make recommendations as complex and diversified as those made by collaborative filters.


identifier: Dabin, V. (2018). Commande d'un quadricoptère par rejet actif de perturbations  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet de recherche a pour but de synthétiser, optimiser et tester une loi de commande ADRC (Active Disturbance Rejection Controller) peu utilisée à ce jour dans le domaine de l'aérospatial. Ce nouveau type de commande consiste à estimer et rejeter les perturbations totales que subit le système (e.g., les forces du vent). Les performances en vol du quadricoptère sont améliorées en synthétisant un contrôleur à la fois robuste et adaptatif. Les performances de notre contrôleur seront comparées à celles de deux autres types de contrôleur plus classiques, i.e., un contrôleur PID (Proportionnel Intégral Dérivé) et un retour d'état LQR (Linear Quadratic Regulator). Le travail effectué pour cette maîtrise a tout d'abord débuté par une revue de littérature approfondie du fonctionnement de l'ADRC, menant à une compréhension théorique complète des mathématiques régissant le contrôleur. Cette étape est indispensable pour être capable ensuite de synthétiser un contrôleur ADRC, mais aussi d'en analyser les résultats, puis d'optimiser les performances en réglant les paramètres adéquats du contrôleur. Un des critères de performance le plus souvent utilisé pour comparer la robustesse des contrôleurs est la mesure de l'écart-type de l'erreur de la position du quadricoptère. Les simulations et les expériences consistent donc à placer notre drone dans un environnement venteux, en lui donnant une position de référence qu'il doit maintenir. Ainsi, moins le drone s'écarte de sa position, plus l'algorithme de contrôle est considéré comme efficace. Cette efficacité est mesurée et comparée entre les différents contrôleurs en jeu.  ABSTRACT: This master thesis focuses on the design, improvement and optimization of the controller ADRC (Active Disturbance Rejection Controller), the use of which is still uncommon in the field of aerospace. This new type of controller consists of estimating and rejecting the disturbances that our system undergoes (like wind forces for example). We will therefore seek to improve the flying performance of a quadrotor by synthesizing a controller that is both robust and adaptive. We will compare our controller's perfomance with two other, much more common controller types. The two controllers in question are a PID (Proportional Integral Derivative) and an LQR (Linear Quadratic Regulator. This master thesis starts with a thorough literature review of the ADRC controller, leading to a theoretical understanding of the controller's operation. This step is essential to be able to synthesize an ADRC controller, analyze the results, and optimize the performance by tuning the appropriate parameters of the controller. One of the most often used performance criteria to compare the robustness of controllers is the measurement of the standard deviation of the quadcopter position error. Simulations and experiments therefore consist in placing our drone in a windy environment, giving it a reference position, without moving from the desired position. Therefore, the less the drone moves, the more effective the control algorithm is. And it is this efficiency that we will measure and compare between the different controllers involved.


identifier: Ho, M. (2018). Calcul de la perméabilité en régime raréfié au travers de milieux poreux à l'aide de la méthode de Boltzmann sur réseau  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le présent mémoire concerne l'application de la méthode de Boltzmann sur réseau à la simulation d'écoulements de gaz raréfiés au travers de milieux poreux complexes afin de calculer leur perméabilité. Cette étude doit permettre de mieux comprendre l'écoulement des gaz atmosphériques à travers les systèmes de protection thermique (ou TPS pour Thermal Protection Systems) à structure poreuse qui assurent la protection des véhicules spatiaux lors de la rentrée atmosphérique. Les TPS ont pour but de dissiper l'énergie thermique générée par friction avec l'atmosphère à l'aide de divers procédés physico-chimiques tels que la pyrolyse ou l'ablation. Cependant, leur part importante dans la masse totale du véhicule spatial fait de leur conception un enjeu crucial dans un souci d'optimisation des coûts de lancement. Pour comprendre les phénomènes simulés et l'application de la méthode à notre problématique, les phénomènes physiques qui apparaissent lors de la phase de rentrée atmosphérique au niveau des TPS seront identifiés dans un premier temps. Puis, les solutions numériques actuelles capables de simuler ces types d'écoulements à travers les TPS seront présentées avant de discuter de leurs limites qui nous poussent à préférer la méthode de Boltzmann sur réseau. La suite sera axée sur le développement théorique et algorithmique de la méthode choisie. Un code de calcul sera développé et validé par des cas tests simples en comparant les résultats numériques avec la littérature. Enfin, des structures géométriques 2D et 3D ordonnées et désordonnées simulant des milieux poreux seront également générées en vue du calcul de leur perméabilité en régime continu. Afin de recréer les conditions réelles auxquelles sont soumises les TPS lors de la rentrée atmosphérique, une attention particulière sera portée au traitement des gaz à faible pression (aussi appelé gaz raréfiés), dont le comportement est décrit par la théorie cinétique des gaz. Nous noterons en particulier la présence de glissement aux parois solides, contrairement à l'hypothèse de non-glissement valide en régime continu et qui modifie grandement l'écoulement. Nous détaillerons également les modifications conséquentes dans l'implémentation de la méthode de Boltzmann sur réseau qui seront par la suite validées en simulant un simple écoulement dans un tube. L'inclusion de l'aspect raréfié dans le calcul de la perméabilité se fera en deux temps : tout d'abord, à travers les structures générées en régime continu en 2D au travers de notre code « maison », puis en 3D en adaptant le code open source Palabos pour traiter des écoulements de gaz raréfiés. Sur Palabos, des géométries structurées en 3D générées selon le modèle 2D feront également office de milieux poreux, avant d'effectuer le calcul sur un échantillon réel obtenu numériquement par micro tomographie. En 2D comme en 3D, la variation de la perméabilité due à la raréfaction du fluide sera évaluée. L'analyse des résultats montre que la méthode de Boltzmann sur réseau est non seulement une méthode numérique adaptée à la simulation d'écoulements de fluide à travers des milieux complexes, mais qu'elle est également capable de capturer les effets discrets qui peuvent apparaître en présence d'un gaz raréfié. Finalement, on remarque que les effets discrets dus à la raréfaction du gaz négligeables en régime continu deviennent prépondérants au fur et à mesure que le taux de raréfaction augmente. La présence des effets raréfiés augmente significativement la perméabilité, dont la valeur peut être multipliée d'un facteur 100 en régime fortement raréfié.  ABSTRACT: The following thesis focuses on the application of the lattice Boltzmann method on simulating rarefied gas flows through complex porous media for permeability calculation. This study aims at better understanding the flow characteristics of atmosphere gases through porous thermal protection systems (TPS) which protects space vehicles during the atmosphere re-entry stage. TPS enable thermal energy (generated by atmosphere friction) dissipation through pyrolysis or ablation. However, as they take a great part of the total launch mass, carefully designing them becomes a critical issue in launch costs optimization. To understand how our chosen model can be applied for this issue, we'll first take a brief look at physical phenomena which appear inside TPS during the atmosphere re-entry stage. Then, numerical models which are currently used to perform these simulations will be introduced. Finally, we will discuss about their computing limits in order to highlight the need of an alternative method which is embodied here by the lattice Boltzmann method. It will then be followed by a theoretical and algorithmic explanation of the chosen method. A computational code will be developed and validated by comparing numerical results for basic test cases. Finally, we'll generate 2D and 3D structured and random geometries, in order to compute their permeability in the continuous regime. In order to simulate the real conditions during TPS atmosphere re-entry stage, low pressure gases (also called rarefied gases) will be carefully treated according to the kinetic theory of gases. One must note the occurrence of gas slippage effects at solid walls, which are neglected in the continuous regime, and have a significant impact on flow characteristics. We will also give details about the changes in the lattice Boltzmann algorithm that have to be implemented to account for rarefied gas effects and validated through a simple microchannel. Including rarefied gas effects on permeability calculation will be studied in two parts: first, through 2D generated structured geometries on our own code, and then with 3D simulations on open-source software Palabos with proper modifications for rarefied gas flows. On Palabos, 3D structures will have the same pattern as 2D ones to account for porous media. Ultimately, we aim at performing permeability calculation on a micro-tomography reconstructed real porous media. Variation of permeability with rarefaction rates will be investigated in 2D as well as in 3D. The analysis of the numerical results shows us that the lattice Boltzmann method is not only an adapted numerical method for fluid flow simulations though complex porous media, but is also able to capture discrete effects that occur as the gas is rarefied. Research studies finally show that rarefied discrete effects, which are neglected in the continuous regime, become significant in the total fluid flow as the rarefaction rate increases. Rarefied effects greatly increase computed permeability, which can multiply the permeability up to 100 for strong rarefaction rates.


identifier: Carnevali, D. (2018). Catalytic Design for Fructose Conversion to Speciality Chemicals  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La biomasse va devenir le nouveau pétrole en raison de son abondance et du ratio oxy- gène/carbone élevée, ce qui en fait une excellente alternative aux composées à haute valeur ajoutée. Le marché de la production d'électricité à partir de la biomasse ne cesse d'augmen- ter et atteindra environ 50 Milliards USD d'ici 2022 Market Research Reports Search Engine (2015). Les processus bio-catalytiques, chimio-catalytique et les modifications chimiques des biopolymères sont les trois principales conversions de la biomasse Gallezot (2012). La fermen- tation vers le bioéthanol est la valorisation de sucres la plus propagée, représentant plus de 60 % de la production mondiale Business insider (2018). Cette voie majeure de conversion dé- coule de son application de biocarburant. En effet, le bioéthanol présente un plus faible coût de production et un nombre d'octane plus élevé comparé à l'essence. La fermentation présente deux limitations principales : un rendement molaire théorique maximal de 50 % et une faible valeur marchande. L'équation chimique inclue une formation de CO2 par molécule de sucre ayant réagi. La marge du bénéficie nette du bioéthanol est faible, et est déterminée par la différence entre les prix des matières premières et ceux du produit final. Le sucre blanc coûte environ 300 USD/t International Sugar Organization (2018), alors que le prix du bioéthanol est approximativement de 450 USD/t S & P Global Platts (2018). Le fructose représente une matière première a haut potentiel pour la transformation en 5-hydroxymethylfurfural (HMF), 2,5-furandicarboxylique acide (FDCA), acide lévulinique, furfural (FUR), dimethylfurfural, dimethyltetrahydrofurane et acide lactique. Le processus de déshydration des hexoses en HMF joue un rôle clef dans la valorisation du sucre, dû à l'importance des produits chimiques et biocarburants de moyenne à haute valeur ajoutée. La synthèse est enrayée par la polymérisation d'HMF en produits insolubles - appelés humins - et la réhydratation de l'HMF, qui sépare la molécule en acide lévulinique et formique. Les solvants organiques et ioniques, les réacteurs multiphasiques et les systèmes d'extraction minimisent les étapes de dégradation. Nous avons abordé la conception catalytique de la conversion du fructose en molécules spé- cifiques à partir de deux points de vue. La première était de développer une technologie alternative pour convertir le fructose en molécules présentant une plus haute valeur mar- chande que l'éthanol. Nous avons désigné un µ-réacteur à lit fluidisé (15 mm ID), ou un atomiseur pulvérisait une solution aqueuse de sucre directement dans le lit catalytique. Cette partie du projet s'est déroulée à l'École Polytechnique de Montréal. La seconde étape s'est fo- calisée sur la valorisation de l'acide lévulinique, un co-produit de la deshydratation de l'HMF.    Nous avons developpé une nouvelle voie catalytique pour oxyder le substrat en acide succi- nique, en combinant de l'acide tungstique et du peroxyde d'hydrogène pour la conversion de Baeyer-Villiger. Ce projet a été conclu à l'Université de Bologne. Nous avons identifié l'injection du liquide dans le µ-réacteur a lit fluidisé (FBR) comme une alternative pour convertir le sucre en molécules à haute valeur ajoutée. La conception du système est basé sur une vitesse de réaction plus élevée en biomolécules que la dégradation en humins ou en coke. Le lit fluidisé a réduit le temps de contact à une fraction de secondes, minimisant les réactions parallèles. Le réacteur travaille dans la gamme de 300 ◦C to 400 ◦C et à pression atmosphérique. Nous avons synthétisé et caractérisé quatre catalyseurs hétérogènes composés de différentes concentrations d'oxyde de tungstène déposées sur TiO2. La synthèse a été spécifiquement conçue pour accomplir toutes les exigences spécifiques pour les particules dans un FBR - tailles de particules, vitesse de fluidisation minimale, résistance à l'attrition, densité apparente. Nous avons optimisé le chargement de tungstène, la concentration en oxygène pour la fluidisa- tion et la température pour la décarbonylation du fructose en furfural. Nous avons obtenu un maximum de 22 % pour le furfural à 200 ◦C, avec 5 % de WO3 et un ratio molaire O2 :fructose de 20. Nous avons détecté et quantifié des concentrations en acide acétique et diformylfuran (DFF) pour chaque heure des 6 h expérimentales. Ces résultats démontrent la création d'une nouvelle voie pour la conversion du sucre C-6 en phase gazeuse dans un FBR, conduisant à la publication d'un article scientifique et la poursuite d'un brevet. La mise en œuvre du processus passe par l'optimisation du système FBR, du catalyseur et des variables du processus pour maintenir les 6 atomes de carbones dans la solution de fructose et ainsi augmenter l'efficacité du carbone. Nous avons alors ciblé l'oxyde-deshydratation du fructose en FDCA. Nous avons ajouté du Pt sur la surface du catalyseur, et avons identifié puis optimisé les paramètres de la réaction. Un faible temps de contact et la plus faible concentration en platine ont favorisé la deshydratation du fructose en HMF. Les analyses de la réaction en HMF ont démontré un pouvoir oxydant relativement haut en platine pour convertir le groupement alcool en aldéhyde - HMF en DFF -, mais pas assez pour oxyder l'aldéhyde en acide carboxylique - DFF en FDCA. Une sélectivité maximum en HMF égale à 12 % est obtenue après 6h en utilisant le fructose comme réactif initial. Cependant, injecter l'HMF comme un substrat, nous a permis d'obtenir un maximum en sélectivité de 43 % en DFF avec 1.5 g de catalyseur à 250 ◦C. Augmenter la température a favorisé l'oxydation mais aussi la vitesse de dégradation du l'HMF. L'un des principales avantages démontré par cette nouvelle technologie est la grande polyva- lence, qui permet l'adaptation à de nombreuses réactions différentes.    Dans la troisième partie de cette thèse, nous avons identifié et développé une réaction verte pour convertir l'acide lévulinique — le produit de l'hydrolyse de l'HMF. Dans un réacteur BATCH, nous avons développé l'oxydation de Baeyer-Villiger par du peroxyde d'hydrogène et de l'acide tungstique comme catalyseur de l'acide succinique. Une concentration plus élevée en H2O2 et le temps ont augmenté la conversion de l'acide lévulinique. Augmenter la charge de H2WO4 a produit plus d'acide succinique, atteignant une sélectivité maximale de 75 % avec un ratio molaire initial d'acide lévulinique :catalyseur de 50 et un ratio H2O2 :acide lévulinique égale à 5 après 3 h. L'oxydation de Baeyer-Villiger passe par deux voies réactives, formant de l'acide succinique ou de l'acide 3-hydroxypropionique (HPA). H2WO4 a formé un abduct avec le substrat durant l'oxydation ; augmentant la charge catalytique, l'interaction module le ratio des produits, déplaçant la sélectivité du HPA à l'acide succinique. Nous avons récupéré jusqu'à 70 % en masse du catalyseur. Les essais de recyclage du H2WO4 ont démontré une activité similaire du catalyseur.  ABSTRACT: Biomass will become the new petroleum because of its abundancy and higher oxygen/carbon ratio that make it an excellent alternative feedstock to value-added compounds. The biomass power generation market is continuously increasing, and it will reach approximately 50 billion USD by 2022 Market Research Reports Search Engine (2015). Bio-catalytic processes, chemo- catalytic processes and chemical modifications of biopolymers are the three main biomass con- versions Gallezot (2012). Fermentation to bio-ethanol is the most diffused sugars upgrading, accounting to more than 60 % of the global production Business insider (2018). This major conversion pathway derives from its application as bio-fuel. In fact, bio-ethanol presents lower production cost and higher octane number compared to gasoline. Fermentation has two main limitations: maximum theoretical molar yield of 50 % and low market value. The chemical equation includes the formation of a molecule of CO2 per sugar molecule reacted. The bio-ethanol net profit margin is low, and it is determined by the difference between feed- stock and product market price. White sugar costs around 300 USD/t International Sugar Organization (2018), while bio-ethanol is approximately 450 USD/t S & P Global Platts (2018). Fructose represents a high potential feedstock to 5-hydroxymethyl furfural (HMF), 2,5-furandicarboxylic acid (FDCA), levulinic acid (LEV), furfural (FUR), dimethyl furfural, dimethyl tetrahydrofuran and lactic acid. The hexoses to HMF dehydration process is acquiring a key role in the sugar valorization, due to its importance as intermediate to high value chemicals and bio-fuels. The synthesis is hindered by the polymerization of carbohydrates and HMF to insoluble products — humins —, and the water rehydration of HMF, that cleaves the molecule to levulinic and formic acids. Organic solvents and ionic liquids, coupled with multi-phasic reactors and extraction systems, minimize the degradation steps. We approached the catalytic design of fructose conversion to speciality chemicals by two points of view. The first was developing an alternative technology to convert fructose to value-added chemicals, which present higher market value than ethanol. We designed a µ- fluidized bed reactor (15 mm ID), where an atomizer sprayed the aqueous sugar solution directly into the catalytic bed. This part of the project was carried out at Polytechnique Montreal. The second step focused on the valorization of levulinic acid, the dehydration by-product of HMF. We developed a new catalytic route to oxidize the substrate to succinic acid, combining tungstic acid and hydrogen peroxide for the Baeyer-Villiger conversion. This part of the project was carried out during the period at University of Bologna.    We identified the liquid injection in a µ-fluidized bed reactor (FBR) as alternative technology to convert sugars into value-added chemicals. The concept of the system was based on the higher reaction rate to bio-chemicals than the degradation to humins or coke. Fluidized bed reduced the contact time to fractions of second, minimizing the side reactions. The reactor operated in the range of 300 ◦C to 400 ◦C and at atmospheric pressure. We synthesized and characterized four tungsten oxide loading on TiO2 as heterogeneous catalyst. The synthesis was specifically tailored to accomplish all the specific requirements for particles in a FBR: particle size distribution, minimum fluidization velocity, attrition resistance and bulk density. We optimized tungsten loading, oxygen concentration in the fluidization gases and tempera- ture for the fructose decarbonylation to furfural. We achieved a maximum of 22 % of furfural at 200 ◦C, with 5 % WO3 and a molar ratio O2:fructose of 20. We detected and quantified also the concentration of acetic acid and diformylfuran (DFF) every 60 min, for a total of 6 h reaction. The system demonstrated the creation of a new pathway for the conversion of C-6 sugars in gas phase in a FBR, leading to a scientific article and a continuation of a patent. Implementation of the process included the optimization of the FBR system, the catalyst and the process variables to maintain the six atoms of carbon of the feed and consequently to increase the carbon efficiency. We targeted the oxidehydration of fructose to FDCA. We added Pt on the surface of the catalyst, and we identified and optimized the reaction variables. Lower contact time and higher amount of platinum favored the dehydration reaction to HMF. Analysis of the HMF reactivity demonstrated relatively high oxidation power of Pt to convert the alcohol functional group to aldehyde — HMF to DFF —, but not enough strength to further oxidize the aldehyde to carboxylic acid — DFF to FDCA. Fructose as starting material showed a maximum selectivity to HMF of 12 % after 6 h. Differently, injecting HMF as substrate, we reached a maximum of 42 % selectivity to DFF with 1.5 g catalyst at 250 ◦C. Increasing the temperature favored the HMF degradation rate. One of the main advantage of this new technology is the great versatility, that can be tailored to a variety of reactions. In the third part of the thesis we identified and developed a green reaction to convert levulinic acid — the HMF hydrolysis product. In a batch reactor, we developed the Baeyer-Villiger oxidation by hydrogen peroxide and tungstic acid as catalyst to succinic acid. Higher H2O2 concentration and time increased the levulinic acid conversion. Increasing H2WO4 loading produced more succinic acid, reaching a maximum selectivity of 75 % with a levulinic acid: catalyst molar ratio of 50, and H2O2:levulinic acid of 5 after 3 h. The Baeyer-Villiger oxidation passes through two possible attack of the oxygen, forming in prevalence more succinic acid or more 3-hydroxypropionic acid (HPA), based on the reaction conditions and the type of    catalyst. H2WO4 formed an abduct with the substrate during the oxidation; increasing the catalyst loading, the interaction modulates the product ratio, shifting the selectivity from the HPA to the succinic acid. We recovered up to 70 % in mass of catalyst. Recycle tests of the H2WO4 demonstrated similar activity of the fresh catalyst.


identifier: Pinto, M. (2018). Real-Time Intraoperative Spectroscopic Margin Detection in Robotic-Assisted Radical Prostatectomy on Prostate Cancer Patients  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le cancer de la prostate est souvent traité par la résection de la prostate entière, une procédure appelée prostatectomie radicale. Le succès de cette procédure dépend de la capacité du chirurgien a retirer la totalité de la prostate et à assurer qu'il ne reste aucunes cellules cancéreuses à la marge chirurgicale. On retrouve du cancer à la marge dans jusqu'à 20% des procédures et à ce jour, les marges ne sont évaluées par un pathologiste que plusieurs heures après la chirurgie nécessitant des traitements adjuvants quand du cancer est détecté. La capacité de caractériser du tissue de façon intra opératoire et en temps réel est donc un réel besoin clinique qui n'est pas comblé par la technologie actuelle. La spectroscopie Raman est une technologie optique basée sur la diffusion de la lumière par des molécules et liens moléculaires spécifiques. La spécificité moléculaire de la spectroscopie Raman peut être couplée à des techniques d'apprentissage machine pour effectuer de la caractérisation de tissu en fonction de sa composition moléculaire. Ceci pourrait combler le besoin clinique énoncé en permettant aux chirurgiens de détecter et retirer le maximum de tissu prostatique bénin et cancéreux. Dans ce mémoire, nous présentons la conception et le développement d'un système de spectroscopie Raman intégré à une plateforme de chirurgie robotisée couramment utilisée pour effectuer des prostatectomies. L'ingénierie du système et sa validation sur des fantômes sont d'abord présentés. Nous présentons ensuite une preuve de concept effectuée sur 20 prostates humaines ex vivo pour démontrer la capacité du système à distinguer entre du tissu de prostate et du tissu extra-prostatique avec une précision, sensibilité et spécificité tous au-delà de 90%. Finalement, nous présentons l'utilisation du système avec une plateforme de chirurgie robotisée pour effectuer, pour la première fois, des mesures de spectroscopie Raman in vivo sur des prostates humaines pendant la prostatectomie.  ABSTRACT: Prostate cancer is often treated through a radical prostatectomy procedure consisting of the removal of the entirety of the prostate gland. The success of this procedure relies on the surgeon's ability to resect prostate tissue maximally and ensure no cancer is left behind. Surgical margins are currently assessed by pathologists only hours to days following surgery and positive surgical margins (cancer cells having spread to the boundary of resection) occur in as many as 1 in 5 cases. The ability to characterize tissue intraoperatively, in real time is therefore an important clinical need and is unmet by current technology. Raman spectroscopy (RS) is an optical technology based on the scattering of light by specific molecules/molecular bonds. Combining the molecular specificity of RS with machine learning techniques has shown promise for tissue characterization based on molecular composition. This sort of molecular fingerprinting could benefit prostatectomy procedures by ensuring maximal resection of prostate tissue and cancer. In this thesis, we present the design and development of an RS system integrated to a surgical robotics platform commonly used in RP. Design, engineering, and validation work on phantoms is presented. A proof of concept study was performed to demonstrate the ability of RS to characterize prostate tissue wherein the system was used to obtain data on 20 whole human prostates ex vivo. Preliminary results show successful distinction between prostatic and extra-prostatic tissue with accuracy, sensitivity and specificity over 90%. Also presented is the successful use of the system with a surgical robot to perform in vivo measurements in humans on 5 patients for the first time.


identifier: Urdaneta Velasquez, M. (2018). Attaques informatiques sur le réseau de contrôle du trafic routier  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le nombre d'attaques informatiques contre les systèmes de contrôle industriels a subi une importante croissance dans les dernières années. Les systèmes de contrôle de trafic routier, étant des systèmes de contrôle industriels, sont donc exposés à des menaces informatiques qui peuvent être utilisées et exploitées par des adversaires avec le but d'altérer l'opération des feux de circulation et, en conséquence, perturber la circulation dans les réseaux routiers. Disposer d'un outil d'expérimentation qui reproduit tant un système contrôlant le trafic que le trafic dans les réseaux routiers permettrait d'évaluer le comportement de la circulation dans les réseaux routiers à l'occurrence d'attaques informatiques lancées contre le système de contrôle et ses composants. Une telle évaluation mènerait à l'identification des attaques produisant le plus d'impact, ce qui servirait à établir ou renforcer les mesures de sécurité afin de protéger le système contre ces attaques. D'après la littérature répertoriée, un tel outil, intégrant tant le système de contrôle que le trafic routier pour les fins d'évaluer la sécurité informatique des systèmes de contrôle du trafic routier, n'a pas été implémenté. C'est pour corriger cette lacune que nous avons développé un banc d'essai qui intègre ces deux composants et qui permet de mesurer comment des attaques lancées contre le système de contrôle impactent le trafic routier. Le banc d'essai a été intégré par un logiciel qui émule les fonctions de la station centrale d'un système SCADA, des scripts développés en python qui exécutent les fonctions des PLC contrôlant les feux de circulation, et un logiciel de simulation microscopique du trafic pour la modélisation des réseaux routiers et du trafic. La fonctionnalité du banc d'essai a été validée sur trois différentes configurations des réseaux routiers, allant d'un réseau générique simple à une partie du réseau routier de la Ville de Montréal, et en exécutant divers types d'attaques et des stratégies de sélection des victimes. Les impacts des attaques ont été mesurés à partir des métriques de performance fournies par le banc d'essai, et ultérieurement, les coûts des attaques ont été estimés à partir de ces métriques.  ABSTRACT: The number of computer-based attacks against industrial control systems has grown significantly in recent years. Road traffic control systems, being industrial control systems, are therefore exposed to cyber threats that could be used and exploited by adversaries for altering the normal operation of traffic lights and disrupting traffic in urban road networks. By having an experimental tool that reproduces the system controlling the traffic and traffic behaviour in road networks, researchers could evaluate the impact on road traffic of cyber-attacks launched against the control system and its components. Such an assessment would lead to identifying the attacks that produce the greatest impact on road traffic, and to establish or reinforce the security measures to protect the system against the most impacting threats. According to the literature reviewed, a tool integrating both the control system and the road traffic for assessing the computer security of traffic control systems, has not been developed. For that reason, we built a cyber-physical test bed that integrates these two components and measures how attacks against the control system impact road traffic. The test bed was built integrating a software application that emulates the functions of the master station of a SCADA system, python scripts that perform the functions of the PLCs controlling the traffic lights, and a microscopic traffic simulation package for the modelling of networks and road traffic. The functionality of the test bed was validated by using three different road networks configurations, going from a simple generic network to a part of the City of Montreal's road network, and by performing several types of attacks and strategies to select the targets. The impacts of the attacks were measured against performance metrics provided by the test bed, and later, the costs of the attacks were estimated from these metrics.


identifier: Dejour, Q. (2018). Évaluation de la performance d'un compresseur contra-rotatif à écoulement mixte  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le compresseur est une composante clé (et la plus longue) des moteurs d'avion. À ce titre, il est très souvent l'objet d'études visant à améliorer sa performance, en termes du rapport de pression et de rendement, et son opérabilité en termes de marge de décrochage. L'objectif de ce mémoire est de présenter la première évaluation d'un nouveau concept de compresseur non-axial contra-rotatif sous la forme d'un compresseur à écoulement mixte. Dans ce concept, le stator du compresseur mixte, ou le diffuseur d'un compresseur centrifuge, est remplacé par un rotor tournant dans le sens opposé du rotor amont. Le rotor contra-rotatif permet alors de ramener l'écoulement dans la direction axiale, et ce avec un virage de l'écoulement relatif beaucoup plus faible que celui d'un stator équivalent. Le rotor aval va de surcroît produire un travail supplémentaire équivalent à celui en amont, permettant d'obtenir une augmentation de pression bien supérieure à un compresseur standard. Ce meilleur rapport de compression peut alors permettre de remplacer un ou plusieurs étages du compresseur, réduisant ainsi la longueur, le poids, la complexité et les coûts de production et d'entretien du moteur. Ce mémoire présente une première preuve de concept de ce nouveau type de compresseur ainsi que des possibilités d'amélioration du design initial. Pour l'évaluer, un compresseur contra-rotatif à basse vitesse et écoulement mixte ainsi que son équivalent conventionnel (i.e. configuration rotor mixte/stator) avaient été conçus. Des simulations CFD ont été effectuées pour comparer la performance de ces deux compresseurs. Les résultats obtenus montrent que la configuration contra-rotative permet d'obtenir une augmentation de pression deux fois plus élevée que sa contrepartie conventionnelle mais aussi un meilleur rendement et une marge de décrochage plus importante. L'absence de décollement significatif de la couche limite sur le rotor contra-rotatif (pourtant présent dans le stator de la configuration conventionnelle) est à l'origine des améliorations du rendement et de la marge de décrochage. D'autres simulations réalisées sur des modélisations du compresseur au complet ont par la suite permis de valider le point et le mécanisme de décrochage de chacune de ces configurations. Le compresseur à l'étude représente par ailleurs un jalon vers un nouveau design de compresseur contra-rotatif centrifuge et non plus mixte. Dans cet esprit, différentes voies d'amélioration du présent compresseur ont été explorées, parmi lesquelles l'influence sur les performances du jeu d'aube ou encore de la méthode d'empilement des sections composant les pales (transformations dites ''sweep'' et ''dihedral''). Il en ressort que la taille du jeu d'aube a une forte influence sur la stabilité et le rendement du compresseur contra-rotatif, comme cela pouvait être attendu. Les modifications de la géométrie de l'aube ont quant à elles une influence modérée sur l'efficacité mais très forte sur la stabilité, pouvant permettre de plus que doubler la marge de décrochage.  ABSTRACT: The compressor is a key (and the longest) component of modern aircraft engines and as such is often the subject of studies aiming to improve its performance, in terms of pressure and efficiency, and its operability, in terms of stall margin. The purpose of this thesis is to assess the performance of a new non-axial compressor concept in the form of a counter-rotating mixed-flow compressor. In this concept, the stator of a mixed-flow stage, or the diffuser of a centrifugal stage, is replaced with a rotor rotating in the opposite direction. This rotor will turn the flow back to the axial direction with lower relative flow turning than an equivalent stator or diffuser. Moreover, the counter-rotating rotor provides a work equivalent of the upstream rotor or impeller. This additional work can double the total pressure rise of the stage and thus allow the counter-rotating stage to replace several conventional stages, reducing the length, mechanical complexity, weight and manufacturing and maintenance costs of the aeroengine.  This thesis presents a first proof of concept of such a compressor as well as possibilities for design improvements. In order to assess the performance of this concept, a low-speed mixed-flow counter-rotating compressor and its equivalent counterpart (i.e. mixed-flow rotor/stator) had been designed. CFD simulations have been carried out to compare the two configurations. Results show that the counter-rotating compressor presents twice the total pressure rise of the conventional configuration. Furthermore, its efficiency and stall margin are superior to the conventional design. The absence of significant boundary layer separation (present on the stator) on the counter-rotating rotor is the source of the efficiency and stall margin improvements. CFD calculations of the entire compressor have also been carried out to validate and to explore further the stall mechanism of both configurations. Given that the studied compressor represents a milestone toward a new kind of centrifugal counter-rotating compressor, possible design improvements are proposed and assessed. In particular, the influence on the performance of the tip clearance and several modifications of the stacking line of the blade sections (such as the ``sweep'' and ``dihedral'' transformations) have been studied. The results show that the tip clearance size has a great influence on both the efficiency and the stability while the modifications of the stacking line only involve an increase in the stall margin with only a moderate effect on efficiency.


identifier: Stocco, T. (2018). Configuration de l'âme en nid d'abeille sur des réflecteurs d'antennes spatiales  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les réflecteurs installés sur les antennes satellitaires doivent être stables en température pour assurer leur performance d'autant plus que la température vue en orbite peut facilement varier entre -150 ˚C jusqu'à + 150 ˚C. Les réflecteurs sont généralement constitués de deux éléments : la coque et la structure arrière. La coque est la partie utile de l'antenne qui comporte la face réflectrice, tandis que la structure arrière rigidifie l'assemblage. La coque est construite sur la base d'une construction sandwich avec une âme en nid d'abeille de papier de fibre de para-aramide. Ces âmes en nid d'abeille ont des propriétés de dilatation thermique orthotropes et induisent une distorsion thermique sur la surface des réflecteurs qui réduisent leur performance. Les nids d'abeille sont découpés en sections à géométries variables qui sont ensuite cousues l'une à l'autre pour former l'âme du panneau sandwich. En modifiant l'orientation des sections, les caractéristiques thermomécaniques orthotropes du nid d'abeille peuvent être prises en compte lors de la conception. L'objectif principal du mémoire est de trouver la configuration des sections d'âme sur le réflecteur qui minimise les distorsions thermiques. En premier lieu, les propriétés mécaniques et thermiques du nid d'abeille sont caractérisées à l'aide de plusieurs tests expérimentaux. Par la modélisation des tests mécaniques effectués, une estimation des propriétés du papier de para-aramide constituant le nid d'abeille est obtenu. Il a aussi été remarqué que la dilatation thermique du nid d'abeille est principalement causée par une déformation des cellules de celui-ci. En deuxième lieu, des tests mécaniques sont menés sur le panneau sandwich pour mesurer les propriétés équivalentes du nid d'abeille. Ceux-ci ont permis d'évaluer l'apport de rigidité réel du nid d'abeille lorsque ses parois sont contraintes par des laminés rigides. Un modèle numérique est ensuite développé en utilisant les propriétés équivalentes mesurées sur le panneau sandwich. En troisième lieu, un panneau sandwich est soumis à une charge thermique et ses déformations sont mesurées expérimentalement. La modélisation de ce test expérimental a permis de montrer que les défauts dans les laminés ont un grand impact sur la réponse thermique du panneau. Finalement, plusieurs configurations d'âme sont testées numériquement sur deux types de réflecteurs ; l'un avec une structure arrière traditionnelle et l'autre avec un système d'attaches flexibles. Les résultats de l'étude numérique proposent qu'une diminution des distorsions thermiques est possible en utilisant plusieurs sections de nid d'abeille. En revanche, pour une réelle augmentation des performances, l'âme doit être divisée en un très grand nombre de sections, ce qui rend la solution peu pratique.  ABSTRACT: Reflectors installed on space antennas need temperature stability to ensure their performance especially given that experienced temperatures in orbit can easily vary between -150 ˚C and +150 ˚C. Reflectors are generally composed of two elements: the shell and the backing structure. The shell, which comprises the reflective surface, is the useful part of the antenna whereas the backing structure rigidifies the assembly. The shell is built in a sandwich panel and is composed of a para-aramid fiber paper honeycomb core. These honeycomb cores have orthotropic properties of thermal expansion and induce a thermal distortion on the reflectors' surface that reduces its performance. The honeycombs are cut in sections of varying geometry that are sewed together to form the core of the sandwich panel. By changing the orientation of these sections, the honeycomb's orthotropic thermomechanical properties can be taken into account in the design. The main goal of this research is to find the configuration of the core sections on the reflector that minimizes the thermal distortions. Firstly, honeycomb's mechanical and thermal properties are characterized based on several experimental tests. By modeling the mechanical tests conducted, we obtain an estimate of the para-aramid paper's properties, the material of the honeycomb. The mechanical tests have allowed to estimate the properties of the para-aramid paper, the material of the honeycomb. It was also noted that the honeycomb's thermal expansion is mainly caused by a deformation of its cells. Secondly, mechanical tests are conducted on the sandwich panel in order to measure the honeycomb's equivalent properties. These tests have allowed to evaluate the actual stiffness contribution of the honeycomb when its walls are constrained by rigid face sheets. A digital model is then developed using the equivalent properties measured on the sandwich panel. Thirdly, a sandwich panel is submitted to a thermal load and its deformations are measured experimentally. The modeling of this experimental test has permitted to show that flaws in the face sheets have a considerable impact on the thermal response of the panel. Finally, several core configurations are numerically tested on two types of reflectors: one composed of a traditional backing structure and the other composed of a flexible interface. The results of the numerical study suggest that a diminution in thermal distortions is possible when using several honeycomb sections. However, to obtain a significant augmentation of the performances, the core needs to be devised in many sections; thus, making the solution not very practical.