identifier: Camirand, H. (2015). Couches minces électrochromiques d'oxyde de tungstène dense et poreux pour des applications de contrôle énergétique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les nanotechnologies ont bouleversé le paysage dans plusieurs domaines comme la production, le stockage ou l'économie d'énergie. La fenestration architecturale peut jouir abondamment des bénéfices qu'offre la famille des nanotechnologies dites vertes. Parmi celles-ci, on retrouve la fenestration active ou «intelligente» qui, lorsque basée sur des matériaux électrochromiques, est capable de moduler son état de coloration suite à l'application d'une légère tension électrique. Cette modulation optique s'effectue pour la radiation visible et le rayonnement thermique situé dans le proche infrarouge. Leur utilisation permet ainsi de réduire considérablement la consommation énergétique des bâtiments. Également, un degré de régulation supplémentaire est offert par cette technologie dans la perspective d'optimiser le confort intérieur et ce, au gré des habitants. Il est important de mentionner que cette technologie peut être grandement profitable pour un pays comme le Canada où il y a un grand écart de température entre la période hivernale et estivale. Partant de ce fait, ceci influence la nécessité d'empêcher ou non la radiation visible et proche infrarouge de pénétrer. Ce mémoire porte intégralement sur le trioxyde de tungstène (WO3) : le matériau le plus largement étudié pour ses propriétés électrochromiques. Dans le cas présent, le WO3 est synthétisé sous forme de couches minces par pulvérisation magnétron radiofréquence. En variant la pression et la puissance, la porosité des échantillons est altérée. Le coeur de ce travail se situe au niveau de la caractérisation de ces échantillons par ellipsométrie spectroscopique in situ parallèlement à l'application d'une différence de potentiel dans un milieu électrolytique liquide constitué d'acide sulfurique (H2SO4). La méthodologie qui a été développée permet d'approfondir l'étude des matériaux électro-actifs. Pour le démontrer, les propriétés optiques du WO3 sont obtenues pour une vaste plage de niveaux de coloration. Ces dernières sont utilisées dans le but de modéliser la coloration résultante d'empilements multicouches électrochromiques. Cependant, une interface entre une couche dense et poreuse peut s'avérer problématique et donc, à cet effet, plusieurs avenues d'exploration future par rapport aux filtres électrochromiques interférentiels sont finalement discutées.  ABSTRACT: Nanotechnology has modified the landscape of energy generation, energy storage and energy saving devices. Architectural fenestration can extensively benefit from green nanotechnologies. Amongst them, active fenestration or «smart» windows are able to modify their coloration state upon the application of a small electrical voltage, when based on electrochromic materials. In fact, the amount of visible and near-infrared light that can penetrate through the window can be altered. Therefore, their implementation can allow for a significant reduction in energy consumption in buildings. Furthermore, the capability of optimizing indoor comfort is usercontrolled, thus an additional degree of freedom is given by electrochromic-based technology. It is worth mentioning that such devices can be largely advantageous in countries with variable seasons, such as here in Canada. As a matter of fact, the large temperature difference between the hot and cold season influences the requirement of impeding or enabling visible and thermal radiation to pass through. This master's thesis is entirely devoted to tungsten trioxide (WO3), which is the most widely studied electrochromic material. In the present case, WO3 thin films are synthesized by radiofrequency magnetron sputtering. By varying the deposition pressure and power, the porosity content/packing density of the films is modified. This work's main topic is the characterization of electrochromic samples by in situ spectroscopic ellipsometry simultaneously with the application of an electrical voltage in an aqueous electrolytic medium made of sulfuric acid (H2SO4). The methodology developed here allows for an in-depth study of electro-active materials. To corroborate this, optical properties of WO3 are obtained for a wide range of coloration levels, and these are subsequently used to model the resulting coloration of electrochromic multilayer systems. However, the interface between the dense and porous films affects the coloration/bleaching dynamics. In this regard, interesting research avenues related to electrochromic interference filters are finally proposed.


identifier: Jalliffier-Verne, I. (2015). Débordements d'égouts unitaires et protection des sources d'eau potable: intégration des changements globaux  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

type:
Mémoire ou thèse
NonPeerReviewed

abstract: RÉSUMÉ: La qualité de l'eau est indéniablement liée à son environnement. En milieu urbain, la qualité de l'eau peut être dégradée par le déversement d'eaux usées sans traitement dans les sources. De plus, cette dégradation peut être accélérée par les changements globaux comme les changements climatiques et l'accroissement de la population. Enfin, l'intensification des précipitations, prévue par plusieurs études, peut mener à l'augmentation des événements de contamination fécale. Pourtant, peu d'études ont été menées pour caractériser les impacts des changements globaux sur la qualité microbienne de l'eau des sources d'approvisionnement en eau potable. Dans ce travail, nous appliquons un modèle hydrodynamique géolocalisé qui permet, à l'aide de scénarios, de caractériser les impacts des changements globaux sur la qualité de l'eau en milieu urbain. La rivière étudiée se situe dans le sud du Québec en bordure de deux municipalités fortement urbanisées et ne peut être explicitement citée pour cause de confidentialité.  ABSTRACT: Water quality is directly linked to its environment. In older urban areas, water quality can be degraded by the outfalls of untreated wastewater from combined sewers and is of concern if these waters are used as drinking water sources. Moreover, this degradation can be accelerated by global changes such as climate change and population growth. In addition, the intensification of rainfall events, as predicted by several studies, will increase the number of fecal contamination events. Yet, few studies have quantified the impacts of global changes on microbial water quality of drinking water sources. In this study, we applied a georeferenced hydrodynamic model, which enabled us to characterize the impacts of global changes in an urban area, through different scenarios. The river studied here is located in the south of the province of Quebec, between two highly urbanized municipalities.


identifier: Esmaeili Khalil Saraei, A. (2015). Hydrodynamics of Bubble Column Reactors Operating with Non-Newtonian Liquids  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Dans l'industrie, de nombreux procédés nécessitent le contact entre une phase gazeuse et une phase liquide, avec ou sans solide en suspension, et ce afin de donner lieu à une grande variété de réactions chimiques. Bien que de nombreux types de réacteurs peuvent être utilisés à cet effet, au cours de la dernière décennie les réacteurs à colonne à bulles ont reçu une attention particulière car ils offrent certains avantages uniques tels que la facilité d'utilisation, des taux élevés de transfert de masse et de chaleur, et des frais d'entretien réduits en raison de l'absence de pièces mécaniques en mouvement. La conception et la mise à l'échelle d'une colonne à bulles nécessitent une compréhension complète de son hydrodynamique complexe. Ce dernier dépend des propriétés physiques des phases liquides et gazeuses, des conditions d'opération, et des paramètres de conception. A l'heure actuelle, du au manque de connaissance de ces systèmes, la conception des colonnes à bulles nécessite généralement des études expérimentales à différentes échelles (laboratoire, pilote, etc.), ce qui est coûteux en capital et en temps. Au cours des dernières années, les liquides et les solutions aqueuses en suspension utilisées dans les colonnes à bulles sont visqueuses et présentent habituellement, aux conditions opératoires utilisées, des comportements non newtoniens complexes. De plus, dans les colonnes à bulles utilisant des liquides non-newtoniens, non seulement la viscosité du liquide est habituellement variable selon les conditions d'écoulement, mais également leurs éventuelles propriétés élastiques. Pour cette variété de liquides non-newtoniens possédant des propriétés élastiques, ces dernières sont susceptibles d'affecter et de modifier fortement les comportements des bulles. En dépit de la demande croissante d'utilisation de fluides non newtoniens dans les réacteurs à colonnes à bulles, notre compréhension actuelle des effets des propriétés non-newtoniennes sur différents aspects hydrodynamiques des colonnes à bulles est loin d'être complète. Parmi les quelques études réalisées sur l'effet des propriétés rhéologiques de la phase liquide dans les colonnes de bulles, l'influence de l'élasticité du liquide sur les paramètres hydrodynamiques n'a jamais été étudiée distinctement et les modèles et concepts disponibles à l'heure actuelle sur ce sujet sont insuffisants pour une application industrielle. Afin d'obtenir un aperçu global de la performance des colonnes à bulles utilisant des liquides non-newtoniens, les effets de toutes les propriétés rhéologiques de la phase liquide, et non pas l'effet d'un seul paramètre qu'est la viscosité, doivent être étudiés. Cette thèse vii est donc dédiée à l'étude de l'hydrodynamique des colonnes à bulles fonctionnant avec des liquides non-newtoniens possédant des propriétés rhéologiques variées. Le principe de fonctionnement, les aspects hydrodynamiques de base du réacteur à colonne à bulles, ainsi que les liquides non-newtoniens et leurs propriétés rhéologiques sont brièvement discutés dans les deux premiers chapitres de cette thèse. Le premier objectif de ce travail est de comprendre l'effet des propriétés rhéologiques du liquide sur les différents paramètres hydrodynamiques d'une colonne à bulles. À cet égard, l'effet de la rhéologie de la phase liquide sur l'hydrodynamique d'un réacteur à colonne à bulles à l'échelle pilote est largement étudiée en sélectionnant stratégiquement divers types de liquides. La rétention de gaz et ses variations radiales et axiales, le point de transition du régime opératoire et la taille des bulles sont évalués au moyen de deux sondes à fibre optiques fabriquées dans nos laboratoires, ainsi que plusieurs capteurs de pression. Afin de mieux comprendre l'effet de la rhéologie sur les paramètres hydrodynamiques de la phase gazeuse, plusieurs analyses en fonction du temps et des fréquences sont réalisées sur les signaux de fluctuations de pression. Les effets visqueux et élastiques simultanés des liquides non-newtoniens sont étudiés à l'aide d'une nouvelle approche basée sur les modules dynamiques des solutions viscoélastiques. Il a été trouvé que la viscosité du liquide favorise la coalescence des bulles, alors que son élasticité l'entrave, se comportant comme un solide à l'interface de deux bulles. La présence d'élasticité dans le liquide mène à la réduction de la longueur de corde moyenne des bulles et à l'augmentation de la rétention globale de gaz. Les résultats obtenus dans cette partie du travail sont primordiaux afin d'atteindre le second objectif, qui vise principalement à étudier localement les paramètres hydrodynamiques et à développer de nouvelles corrélations pour estimer la taille des bulles et la rétention de gaz dans les réacteurs à colonne à bulles utilisant des liquides non-newtoniens. Par conséquent, dans la deuxième partie de ce travail, les propriétés locales des bulles telles que leur fréquence, leur longueur de corde et leur vitesse d'ascension ainsi que leurs distributions radiales et axiales, sont évaluées à l'aide de deux sondes à fibres optiques placées à des endroits différents dans le réacteur à colonne à bulles opéré avec différents liquides non-newtoniens. Il a été observé que le profil radial de la fréquence des bulles, de leur longueur de corde et de leur vitesse d'ascension sont relativement plats à basse vitesse superficielle de gaz, mais deviennent paraboliques lorsque la vitesse superficielle du gaz augmente. En outre, à l'aide d'une analyse adimensionnelle, deux corrélations ont été développées afin de prédire la taille des bulles et la rétention de gaz dans les colonnes à bulles opérées avec des liquides non-newtoniens. Ces viii deux nouvelles corrélations sont capables de prédire correctement la taille des bulles et la rétention de gaz au sein des colonnes à bulle, à l'aide du rapport entre modules dynamiques des solutions viscoélastiques. Une variété de procédés industriels tels que la synthèse de Fischer-Tropsch, la synthèse du méthanol, l'oxydation partielle de l'éthylène, l'hydrocraquage des résidus lourds, et l'hydroformylation utilise des colonnes à bulles, mais à haute pression. Par le passé, il a été découvert que la pression d'opération a un effet significatif sur les caractéristiques hydrodynamiques des colonnes à bulles. Par exemple, une augmentation de la pression opératoire conduit normalement à la formation de plus petites bulles au niveau du distributeur de gaz. Bien que l'étude des effets de la pression dans les colonnes à bulles ait fait l'objet de certains travaux de recherche, de nombreuses zones restent à éclairer et il existe encore un grand intérêt des chercheurs et des concepteurs de réacteurs à conduire des études approfondies afin d'élucider l'influence de la pression d'opération sur les différents aspects de l'hydrodynamique et, en conséquence, sur la performance de réacteurs à colonne à bulles. Afin d'optimiser les procédés industriels cités ci-dessus, il est indispensable d'avoir une compréhension complète de l'effet de la pression d'opération sur la cinétique chimique, les propriétés du liquide (viscosité et tension superficielle), le régime d'écoulement de liquide, la dynamique des bulles (taille des bulles, forme de la bulle, éclatement et taux de coalescence, vitesse d'ascension) et le taux de transfert de chaleur et de masse. Par conséquent, le dernier objectif de ce travail est consacré à étudier l'effet de la pression d'opération sur l'hydrodynamique de la colonne à bulles et en présence de liquides non-newtoniens. A cet effet, un ensemble de réacteurs à haute pression/ haute température, dont une colonne à bulles et un réacteur à lit fluidisé ont été conçus et construits. En plus des réacteurs en tant que tels, cette installation inclus différents équipements tels que des compresseurs, des cylindres de stockage de gaz à haute pression, des éléments chauffants, un réservoir d'alimentation de liquide, une pompe centrifuge pour liquide, des séparateurs gaz-liquide, une unité de contrôle, un système d'acquisition de données, etc. Cette installation expérimentale sera introduite plus en détails au Chapitre 5. Au sein de cette installation et à l'aide de mesures de signaux de pression différentiels et dynamiques, divers caractéristiques hydrodynamiques des colonnes à bulles, comme la rétention totale du gaz et sa distribution axiale, le point de transition de régime d'écoulement, les fluctuations de pression et son écart-type, ont été étudiées. La vitesse superficielle du gaz a été variée de 1 à 35 (cm s-1) couvrant les deux régimes ix d'écoulement, homogène et hétérogène. La pression de fonctionnement a également été variée de 0.1 à 1 (MPa) pendant les expériences. Il a été étudié que la rétention totale de gaz augmente à la fois avec la pression opératoire et avec l'élasticité de la phase liquide ; l'impact de la pression est d'autant plus prononcé à de basses pressions d'opération. Il a également été identifié que l'augmentation de la pression d'opération conduit à un décalage du point de transition entre régimes hydrodynamiques à de plus haute vitesses de gaz superficielles. En conclusion, il a été prouvé que non seulement la rhéologie de la phase liquide, mais également la pression d'opération, ont un effet important sur l'hydrodynamique des réacteurs à colonnes à bulles. Les connaissances scientifiques développées dans ce travail peuvent ainsi aider les industriels à mieux décrire les phénomènes présents dans les colonnes bulles utilisant des liquides non-newtoniens très visqueux et des pressions élevées, ce qui leur permettrait une conception, exploitation et mise à l'échelle plus avisée et performante des réacteurs à colonne à bulles commerciaux.  ABSTRACT: Processes based on the contact between gas and liquid/slurry phases are commercially used for performing a variety of chemical reactions. Although different types of reactors are used for this purpose, bubble column reactors have received more attention during the past decade since they offer some unique advantages, such as ease of operation, high rates of heat and mass transfer, and lower maintenance costs due to the absence of moving parts. The design and scale-up of a bubble column reactor require a complete understanding of its complex hydrodynamics, which is influenced by the physical properties of the phases, the operating variables, and the design parameters. Current design procedures for bubble columns involve several steps of pilot-plant experimentation using equipment of different scales, which is expensive and time consuming. In recent years, the liquid and/or slurry phases which are processed in bubble columns in many applications are viscous and normally demonstrate non-Newtonian behaviors during the process operation. Hydroconversion of heavy oil and petroleum residues, wastewater treatment, processing of fermentation broths, polymer composite processing, and slurry-phase synthesis are some of those processes in which viscous and non-Newtonian liquids are often encountered in bubble column reactors. On the other hand, in bubble columns operating with non-Newtonian liquids, the viscosity changes upon the flow conditions, and also a variety of non-Newtonian liquids possess elastic properties that can affect and alter bubble behavior to a great extent. Although there has been an increasing application of non-Newtonian fluids in bubble column reactors, our present understanding of the effects of non-Newtonian properties on different hydrodynamic aspects of bubble columns is far from complete. Only few studies are reported on the effect of liquid phase rheological properties in bubble columns so that the influence of liquid elasticity on the hydrodynamic parameters such as gas holdup and bubble properties has never been studied distinctly, and the models and concepts currently available on this subject are insufficient for chemical practice. To gain adequate insight into the performance of bubble columns operating with non-Newtonian liquids, the effects of all rheological properties of the liquid phase need to be investigated rather that the effect of a single parameter like viscosity. This thesis is, therefore, dedicated to investigating the hydrodynamics of bubble columns operating with non-Newtonian liquids having different rheological properties. xi The operation principle and basic hydrodynamic aspects of the bubble column reactors, as well as non-Newtonian liquids and their rheological properties, are briefly discussed in the first two chapters. The first objective of this work is to understand the effect of the rheological properties of liquid on different hydrodynamic aspects of a bubble column reactor including gas holdup and its radial and axial distributions, bubble size and its axial distribution, standard deviation, power spectral density and average frequency of pressure signals. In this regard, the effect of liquid phase rheology on the hydrodynamics of a pilot-scale bubble column reactor is extensively investigated by strategically selecting various types of liquids. The selected liquids include water as a reference and low-viscosity liquid, an aqueous glucose solution as a highly viscous Newtonian and inelastic liquid, a Boger fluid which has a constant viscosity identical to the glucose solution but it is slightly elastic, and finally two non-Newtonian (shear-thinning) and elastic Carboxymethyl cellulose (CMC) and Xanthan gum solutions. Gas holdup and its radial and axial variations, the operating flow regime transition and bubble size are evaluated by means of two in-house made optical fiber probes and several pressure transducers. Different time-domain and frequency-domain analyses are applied to the pressure fluctuation signals in order to better understand the effect of liquid phase rheology on the gas holdup and bubble size. The simultaneous viscous and elastic effects of non-Newtonian liquids are studied by proposing a new approach based on the dynamic moduli of viscoelastic solutions. It was found that the viscosity of liquid is more favorable for bubble coalescence; however, the elasticity can hinder bubble coalescence as it can demonstrate a solid-like behavior at the interface of two bubbles. The presence of elasticity in the liquid was shown to reduce the average bubble chord length and increase the overall gas holdup. The results obtained in this part of the work are essential for achieving the second objective, which is aimed at studying the local hydrodynamic parameters such as local bubble frequency and bubble rise velocity and developing new correlations to estimate bubble size and gas holdup in bubble column reactors operating with non-Newtonian liquids. Therefore, in the second part of this work, local bubble properties such as bubble frequency, bubble chord length, and bubble rise velocity, as well as their radial and axial distributions, are evaluated by installing two optical fiber probes at various locations within a bubble column reactor operating with different non-Newtonian liquids. It was observed that the radial profiles of bubble frequency, bubble chord length and bubble rise velocity are relatively flat at low superficial gas velocities, while they become parabolic as the superficial gas velocity increases. Moreover, by applying the dimensional analysis, two new correlations are xii developed to predict the bubble size and gas holdup in bubble columns operating with non-Newtonian liquids. The two correlations are developed by taking into consideration the ratio between the dynamic moduli of viscoelastic solutions and are capable of accurately predicting both bubble size and gas holdup. Moreover, a variety of commercial processes such as Fischer-Tropsch synthesis, Methanol synthesis, Partial oxidation of ethylene, Residuum hydrotreating, and Hydroformylation are carried out in bubble columns at elevated pressures. The operating pressure is found to have a significant effect on the hydrodynamic characteristics of bubble columns such as bubble properties and gas holdup. For instance, an increase in the operating pressure normally results in the formation of smaller bubbles at the gas distributor and this is mainly due to the higher gas density at elevated pressure. Although investigating the pressure effects in the bubble columns has been the subject of some research, there is still a strong need toward more studies on the influence of operating pressure on different hydrodynamic aspects, and, accordingly, on the performance of bubble column reactors. Therefore, the last objective of this work is devoted to investigating the effect of operating pressure on the hydrodynamics of bubble column reactors in presence of non-Newtonian liquids. For this purpose, a high-pressure/high-temperature multiphase reactors unit including a bubble column reactor with an inner diameter of 0.152 m and a total height of 4.8 m has been designed and constructed to perform experiments at elevated pressures. The multiphase reactors unit was equipped with different equipment, including air compressors, high-pressure gas storage cylinders, gas heating elements, liquid supply tank, liquid centrifugal pump, gas-liquid separators, PLC control unit, etc. This experimental unit is introduced in more detail in Chapter 5. Various hydrodynamic characteristics of bubble column reactors, such as the total gas holdup and its axial distribution, operating flow regime transition point, pressure fluctuation and its standard deviation have been studied by means of pressure signal measurements with several differential and dynamic pressure traducers. The superficial gas velocity varied from 1 to 35 (cm s-1), covering both homogeneous and heterogeneous flow regimes. Operating pressure also changed from 0.1 to 1 (MPa) during the experiments. The total gas holdup was found to increase with both operating pressure and the elasticity of liquid phase, and the effect of pressure was shown to be more pronounced at lower operating pressures. The operating pressure was shown to shift the flow regime transition point to higher superficial gas velocities. A new correlation was also derived for predicting the gas holdup in bubble column reactors operating at elevated pressure. As a xiii conclusion, both the rheology of the liquid phase and operating pressure are shown to have important effects on the hydrodynamics of bubble column reactors. Moreover, the scientific findings of the present work may have significant implications for the more accurate design, operation and scale-up of commercial bubble column reactors, where highly viscous and non-Newtonian liquids and high pressures are often applied.


identifier: Demers, F. (2015). Amélioration de l'aérodynamisme des ailes d'avion par actionnement plasma  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Ce projet présente une étude expérimentale et numérique sur l'amélioration des propriétés aérodynamiques d'un profil 2D extrudé par actionnement plasma. Le but de la recherche est de développer trois concepts prometteurs de contrôle des écoulements utilisant l'actionnement plasma pour réduire la trainée et pour contrôler le point de décollement de la couche limite pour des conditions de décollage et d'atterrissage. L'actionneur le plus commun, le DBD pour dielectric barrier discharge, consiste essentiellement en deux électrodes décalées et séparées par un corps diélectrique auxquels un signal électrique haute tension, mais à faible courant est appliqué. L'actionneur plasma est un dispositif simple et mince qui permet de convertir l'électricité directement en accélération de l'écoulement via une ionisation partielle de l'air. Les particules d'air ionisé accélèrent dans le champ électrique et transferent leurs quantités de mouvement aux particules neutres par collation. Ce phénomène entraine une accélération d'une mince couche d'air près de la surface. Cette technologie est prometteuse puisque l'actionneur n'a aucune pièce mobile et peut être encastré dans un profil aérodynamique, n'affectant ainsi pas l'écoulement lorsque l'actionneur est inopérant. De plus, étant simple et purement électrique, le coût de fabrication et d'intégration est faible. Les trois concepts de contrôle d'écoulement impliquent de positionner l'actionneur plasma sur la surface de l'extrados d'une aile. Le premier concept consiste à retarder la transition laminaire turbulente et ainsi réduire la trainée, le second à retarder le point de décollement afin d'augmenter l'angle d'attaque maximal, d'augmenter la portance et diminuer la trainée dans le but de remplacer les becs et volets. Le dernier concept consiste à accélérer le décollement afin de diminuer la portance et augmenter la trainée afin de remplacer les aérofreins sur les ailes. Dû à la limitation de la force des actionneurs plasma, les études précédentes se limitaient aux études empiriques à petite échelle et pour de faibles vitesses d'écoulement. Cette recherche vise à tester expérimentalement ces trois concepts à des vitesses d'écoulement surpassent les recherches antérieures (jusqu'à 30 m/s) grâce à l'utilisation des actionneurs DBD de dernière génération permettant des forces d'actionnement supérieures. Les résultats expérimentaux serviront à valider deux codes CFD qui pourront être utilisés pour évaluer les trois concepts à l'échelle d'un avion pour des conditions réalistes de vol.  ABSTRACT: The paper will present experimental and numerical investigation of improved aerodynamics performance of a 2D extruded airfoil by plasma actuation. The aim of the research is to develop three promising flow control concepts using solid-state electro-fluidic (plasma) actuators to achieve reduced drag as well as lift control at take-off/landing. Aerodynamic plasma actuators are solid-state devices that convert electricity directly into flow acceleration through partial air ionization. The most common plasma actuator, the dielectric barrier discharge (DBD) actuator, essentially consists of two offset electrodes separated by a dielectric across which a high-voltage low-amperage AC input is applied. The ions in the air created by the high electric field between the two electrodes are accelerated by this field and transfer their momentum to the inert air particles through collisions, resulting in an acceleration of a very thin layer of air adjacent to the surface. This thin, simple, high bandwidth actuator is easy to integrate and thus offer the most practical yet solution for widespread use of flow control to revolutionize aircraft aerodynamics. The three flow control concepts studied involve placing the actuator on the suction surface of a wing to delay boundary layer transition and thus reduced viscous drag and to control boundary layer separation to control lift at take-off and landing without the need for slats, flaps and spoilers. While these concepts had been previously explored, they were only tested empirically at small-scale and very low-speed due to limitations in plasma actuator strength. The current research aimed to test these concepts at higher speeds (up to 30 m/s) using more recent DBD actuators with higher actuator strength and perform more detailed measurements so that these data can be used to validate CFD codes that can be used for assessing the concept at realistic aircraft scales and flight conditions. Wind tunnel experiments were carried out on a 11.67 inch-chord Aerospatiale-A airfoil with a DBD actuator placed on the suction side at a 15, 20 and 30 m/s incoming flow velocity for a Reynolds number of 2,8×105, 3,8×105 and 5,7×105, respectively, and an angle of attack (AOA) of 3º for concept one and 13.3° for concept two and three. The experiments were performed in a closed-loop wind tunnel with a square 24 inch × 24 inch test section. The 2D extruded wing was mounted vertically wall to wall at one chord downstream the entrance of the 96 inch long test section. Lift was calculated by pressure integration from 48 static pressure holes placed on the wing surface.


identifier: Hosseini, J. (2015). Post-Surge Flow Prediction in Multi-Stage Compressors  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le pompage est une instabilité aérodynamique uni-dimensionnelle dans une turbine à gaz caractérisée par l'apparition de pulsations axiales allant jusqu'à une inversion globale du sens de l'écoulement et qui est très dommageable pour la performance de l'intégrité physique du moteur d'avion. La capacité de prédire les propriétés de l'écoulement pendant le pompage à différents endroits dans le compresseur aiderait les concepteurs à optimiser le design de plusieurs composantes du moteur pour mieux résister aux forces aérodynamiques impliquées. L'objectif de cette recherche est de développer une méthode rapide et efficace pour prédire la fluctuation des propriétés de l'écoulement à n'importe quelle section dans un compresseur multi-étagés et qui serait utilisable au stage préliminaire de conception du moteur lorsque les détails sur la géométrie du compresseur sont encore limités. Suite à une revue de littérature sur les différentes méthodes pour simuler le pompage, une approche analytique a été choisie. La méthode développée dans ce projet est bâtie sur un modèle analytique de type lumped-parameter proposé il y a plus de trois décennies pour simuler le pompage dans des compresseurs axiaux de basse vitesse (écoulement incompressible). Ce modèle traitait le compresseur comme un semi-actuator disk à travers duquel l'augmentation de pression instantanée est obtenue à partir d'une courbe caractéristique en régime-permanent moins l'effet de l'inertie du fluide dans le compresseur. Le compresseur ainsi modélisé est couplé à une modèle 1-D des composantes en aval, soient un plenum pour la chambre à combustion et une valve pour la turbine. À travers ce travail, ce modèle a été amélioré en appliquant l'augmentation de pression en régime permanent et l'effet d'inertie du fluide aux sous-sections du compresseur pour facilement prédire les fluctuations de pression à l'intérieur du compresseur une fois que la prédiction du pompage pour le compresseur en entier ait été obtenue. La démonstration analytique de l'applicabilité de ce modèle aux compresseurs non-axiaux a été faite. Ce modèle incompressible a été appliqué à trois géométries de compresseurs différentes pour lesquels des données expérimentales et/ou de simulations numériques de l'écoulement (CFD) pour le pompage sont disponibles. Ces géométries sont un compresseur axial de basse vitesse (incompressible) de trois étages, un compresseur axial-centrifuge de basse vitesse et un compresseur industriel non-axial bi-étagé de haute vitesse (régime hautement compressible).  ABSTRACT: Surge is a one-dimensional aerodynamic instability originating in the compressor of gas turbine engines. It is characterized by the appearance of axial fluctuations that can involve reversal of the flow throughout the engine. Surge is damaging both to the performance and the physical integrity of the engine. The ability to predict the flow properties during surge at different points inside the compressor will help designers optimize the design of engine components to better withstand the aerodynamic loads involved. The objective of this research is to develop a rapid and efficient method to predict fluctuation in flow properties at any section inside a multi-stage compressor that can be used in the preliminary stage of the engine design where only limited information is available on the compressor geometry. Following a literature review of different methods for simulating surge, an analytical approach was chosen. The method developed in this project is built upon an analytical lumped-parameter model proposed over three decades ago to simulate surge in low-speed (incompressible flow) axial compressors. This model treated the compressor as a semi-actuator disk across which the instantaneous pressure rise is obtained from a steady-state pressure rise characteristic curve minus the effect of fluid inertia in the compressor. The modelled compressor is coupled with 1-D models for downstream components, namely a plenum representing the combustor and a throttle valve replacing the turbine. Through the current work, this model is enhanced by applying the same steady pressure rise and fluid inertia effect to subsections of the compressor to easily predict pressure oscillations inside the compressor once the surge prediction for the entire compressor has been obtained. This model is also shown analytically to be also applicable to non-axial compressors. The incompressible model was applied on three different compressor geometries with available test and/or CFD surge data, namely a three-stage low-speed (incompressible) axial compressor, a low-speed axial-centrifugal compressor and an industrial high-speed two-stage (highly compressible) non-axial compressor. The results show that this simple model which is easy and fast to set up and run performs quite well in predicting the surge cycle shape, fluctuation amplitude and frequency for the overall compressor and for a location inside the compressor (at least on the low-speed axial compressor) in spite of uncertainty in speedline shape estimation and the incompressibility assumption.


identifier: Fathollahzadeh, H. (2015). Development of a Weldability Testing System to Quantify Hot Cracking Susceptibility of Inconel 718 Pre-Welded Sheets  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les défauts de fissuration à chaud sont fréquemment observés lors du soudage à l'arc sous gaz avec électrode de tungstène (GTAW), de feuilles d'Inconel 718. Dans le but de résoudre ce problème et d'améliorer la qualité des soudures, un projet de recherche a été mené par professeure Brochu de l'École Polytechnique de Montréal. Dans le cadre de ce dernier, des soudures ayant une variété de microstructures ont été produites en faisant varier les paramètres de soudage. Dans certaines de ces microstructures, un joint de grain central rectiligne a été observé : une caractéristique qui semblerait être à l'origine des fissures. Par la suite, des tentatives pour produire une soudure sans joint de grain central furent amorcées. Suite à ce projet, il a été jugé nécessaire de tester la susceptibilité à la fissuration à chaud des différents joints soudés. Ainsi, le but de ce projet est de développer un système et une méthode expérimentale permettant de déterminer l'effet de la microstructure de soudures existantes sur leur susceptibilité à la fissuration à chaud, et ce à un moindre coût. La procédure adoptée pour la conception et le développement du système est divisée en plusieurs étapes, soit l'analyse de la littérature et des méthodes d'essai de soudabilité existantes, la conception du système et le développement de la procédure expérimentale permettant d'évaluer les capacités du système. En ce qui a trait à l'analyse de la littérature, les propriétés mécaniques de différents superalliages de nickel, particulièrement les alliages de type IN718, ont été comparées à d'autres matériaux. Les maints types de fissures pouvant se former lors du procédé de soudage de ces alliages ont ensuite été examinés. Les méthodes d'essai de soudabilité les plus courantes pour quantifier la sensibilité à la fissuration à chaud des matériaux y sont décrites. Il a été conclu de la revue de littérature que les méthodes d'essai impliquant l'application d'une contrainte externe sont plus efficaces que les autres puisqu'elles offrent un meilleur contrôle sur le déroulement du test. Dans le chapitre suivant, les capacités et les limites des différentes méthodes décrites précédemment ont été analysées et comparées afin de vérifier leur capacité à répondre aux attentes et aux spécificités techniques du projet. Il a été conclu que la méthode d'essai de ductilité à chaud est celle qui répond au plus grand nombre de critères pour ce projet. Le chapitre 4 décrit le processus de conception de la méthode d'essai de ductilité à chaud qui comprend divers obstacles et défis qui ont dû être surmontés.  ABSTRACT: Hot cracking defects are frequently observed during the gas tungsten arc welding of Inconel 718 sheets. In order to solve this problem and improve the quality of the welds, a research project was carried out by prof. Brochu, École Polytechnique de Montréal. In their study, a series of welds with different microstructures were produced using various welding parameters. In some of these microstructures, longitudinal centerline grain boundary was observed: a characteristic that is seemingly a weak point for crack initiation. Subsequently, multiple attempts to produce a weld with no evidence of the centerline grain boundaries were initiated. Following up with the project by prof. Brochu, it was deemed necessary to test the hot cracking susceptibility of the different welds that were produced. Thus, this project's goal is to develop a system and an experimental method that are capable of determining the effect of the microstructure of the existing welds on their hot cracking susceptibility, and all of this at the lowest possible price. The procedure adopted to design and develop the system is divided in multiple steps, namely the literature review, the analysis of the existing weldability testing methods, the design of the system and the development of the experimental procedure allowing to evaluate the capabilities of the system. In the literature review, the mechanical properties of several nickel base superalloys, particularly the IN718 alloys, were compared with other materials. The several types of welding cracks occurring during the welding processes of such alloys were then explained. The main part of this chapter describes the common weldability testing methods used to quantify susceptibility of the materials to hot cracking. It was concluded that the tests including the application of an external load are more efficient than the others since they provide a better control over the testing process. In the next chapter, the capacities and the limitations of the different methods described above were analyzed and compared in order to verify their capability to satisfy the expectations and the technical specificities of this project. It was concluded that the hot ductility test is the method that meets the highest number of requirements of the project. Chapter 4 describes the designing process of the hot ductility testing system which includes various obstacles and challenges that had to be overcome during this endeavor.


identifier: Lachance, F. (2015). Développement de dalles préfabriquées conçues en bétons fibrés à hautes et ultra-hautes performances pour les ponts  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Une forte proportion des dalles de pont du réseau routier québécois nécessitera une réhabilitation au cours des prochaines années. D'une part, un grand nombre d'ouvrages d'art ont atteint la fin de leur vie utile. D'autre part, les dalles sont des éléments structuraux sévèrement sollicités mécaniquement et par l'environnement. Il est donc fréquent que les propriétaires d'ouvrages aient à réparer ou à remplacer les dalles avant même que la durée de vie utile du pont ne soit atteinte. Notamment, la corrosion des armatures provoquée par l'utilisation abondante de sels de déverglaçage entraîne une détérioration accélérée des dalles en béton armé. Les gestionnaires d'infrastructures cherchent donc des concepts structuraux d'installation rapide et d'excellente longévité pour les projets de réhabilitation des dalles de ponts, afin de limiter le nombre et la durée des interventions au cours de la vie utile des ouvrages. En effet, les travaux de réparation ou de construction de dalles de ponts entraînent des coûts indirects élevés, attribuables entre autres à la gestion de la circulation et au trafic dans les grands centres urbains.  ABSTRACT: Many bridges across North America present deterioration signs and need a replacement. Some of them have reached their expected service life, while others have presented an accelerated deterioration due to the use of de-icing salts and the increase of traffic volume and live load magnitude. Concrete bridge decks, exposed to detrimental environmental conditions and heavy alternate loading, commonly struggle with corrosion, delamination and cracking problems. Bridge-owners are therefore searching for long-lasting structural systems for bridge slab rehabilitation projects in order to reduce the number and the length of interventions over structures expected service life. They are also looking for accelerated and efficient construction methods to reduce traffic disruptions in urban areas or on roads where no alternative routes are available.


identifier: Dallaire, A.-M. (2015). Biocapteur plasmonique à sélectivité accrue basé sur des interrupteurs bio-électrochimiques  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les biocapteurs basés sur la résonance du plasmon de surface (SPR) connaissent beaucoup de succès dans la recherche pharmaceutique et en sciences biologiques comme des outils bio-analytiques sensibles et puissants. Cependant, malgré plus de trente ans de développement, ils ont trouvé peu d'applications à l'extérieur des laboratoires de recherche et peinent à atteindre leur plein potentiel en tant que biocapteurs pour utilisation délocalisée. Bien que les avancements technologiques dans les domaines de l'optique et de la micro-fabrication aient rendu possible l'intégration de capteurs SPR sensibles dans un format portable et à faibles coûts, leur performance est toujours limitée par leur faible sélectivité. En effet, les capteurs SPR discriminent difficilement le signal spécifique provenant des ligands d'intérêt du signal non-spécifique provenant des contaminants dans l'échantillon, ce qui résulte en de faux positifs qui compliquent leur utilisation pour la détection dans des échantillons non purifiés. Ce projet de maîtrise étudie une nouvelle solution pour améliorer la sélectivité des biocapteurs SPR dans des milieux complexes. L'approche est basée sur un mode de transduction qui intègre l'électrochimie et la SPR (eSPR) de façon à discriminer la réponse du biomarqueur des contributions non-spécifiques de l'échantillon. La performance du biocapteur repose sur la combinaison originale d'un élément de reconnaissance de type interrupteurs bio-électrochimiques (E-ADN) qui produit la signalisation et d'un marqueur optique bleu de méthylène dont les propriétés sont contrôlées par un processus électrochimique. Une plateforme de détection multiparamétrique incluant une cellule de mesure électrochimique, un dispositif SPR en configuration Kretschmann et un détecteur optique couplé à un amplificateur lock-in (eSPR) a été développée pour étudier les propriétés électrochimiques, plasmoniques et électro-plasmoniques des E-ADN. Cette plateforme facilite l'analyse et la confirmation des données obtenues avec la transduction eSPR en permettant de les comparer directement avec les méthodes bien établies de la SPR et de l'électrochimie. La sensibilité du système eSPR en fonction de l'angle d'incidence et de l'indice de réfraction du milieu de test a été caractérisée.  ABSTRACT: Biosensors based on surface plasmon resonance (SPR) have proven extremely useful in pharmaceutics and life sciences research as sensitive and powerful bio-analytical devices. However, after over 30 years of development, they have found limited applications outside research laboratories and have yet to achieve their full potential as biosensors for point-of-care use. While technological advancements in the fields of optics and microfabrication have made possible the integration of SPR sensors in a portable and low-cost format, their effectiveness is still limited by their lack of selectivity. Indeed, most SPR sensors fail to discriminate between the specific signal produced by the targeted ligand and the non-specific signal of contaminants in the sample matrix, resulting in false positives that complicate their application for biosensing in crude samples. This Master's thesis investigates a new solution to increase the selectivity of SPR sensors in complex media. The approach is based on a transducer that integrates electrochemistry and SPR in order to differentiate between the ligand binding response and the non-specific contributions of the sample. The efficiency of this method relies on the original combination of a bio-electrochemical reconnaissance element (E-ADN) that produces the signalisation and an optical marker which properties are controlled with an electrochemical reaction. A multi-parametric platform combining an electrochemical measuring cell, a SPR system in a Krestchmann configuration and an optical detector coupled to a lock-in amplifier (eSPR) was developed to study the electrochemical, plasmonic and electro-plasmonic properties of the E-ADN. This platform facilitates the analysis and confirmation of the data obtained with eSPR by comparing them with the well-established methods SPR and electrochemistry. The sensitivity of the eSPR system as a function of incident angle and refractive index of the media have been characterized. This approach was validated for the detection of two oligonucleotide sequences associated with rifampicin resistant Mycobacterium tuberculosis and E-coli bacteria. Calibration curves for the two sequences were measured in a purified buffer solution and a limit of detection of 5 nM was obtained with eSPR. The test chips are reusable and have shown reversible signal for at least 5 cycles of regeneration with a urea wash.


identifier: Choubak, S. (2015). The Impact of Hydrogen and Oxidizing Impurities in Chemical Vapor Deposition of Graphene on Copper  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le graphène, un matériau bidimensionnel constitué d'une monocouche d'atomes de carbone, a attiré l'attention des scientifiques et des technologues pour ses propriétés mécaniques, électriques et optoélectroniques remarquables. L'utilisation du graphène dans des applications pratiques nécessite toutefois le développement de méthodes de synthèse fiables et rentables pouvant produire de larges films de graphène avec une faible densité de défauts et une morphologie bien contrôlée. Une des méthodes les plus significatives est la croissance catalytique de graphène par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) sur substrats métalliques. La croissance à haute température (850-1100°C) à partir d'un mélange d'hydrocarbures et d'hydrogène permet de produire de larges feuillets de graphène polycristallin et d'excellente qualité. Cette voie de synthèse est prometteuse car elle ouvre la voie à une production de graphène à grande échelle et une commercialisation massive de produits à base de graphène. Cette thèse porte sur la synthèse du graphène sur des feuillets de cuivre polycristallin par la voie CVD à basse pression (LP-CVD) avec du méthane comme source de carbone et de l'hydrogène pour assurer un environnement réducteur. Plus précisément, elle porte sur la détermination du rôle de l'hydrogène et des impuretés oxydantes pendant la formation de graphène. Le but ultime de la thèse est d'élaborer les bases fondamentales pouvant mener à un procédé de croissance commercialement viable et reproductible de graphène de haute qualité pour d'éventuels procédés de fabrication industriels. La première partie de la thèse traite du rôle de l'hydrogène moléculaire dans la croissance CVD de graphène. À partir d'expériences de recuits, certaines études ont affirmé que l'hydrogène moléculaire vient graver le graphène sur cuivre. Nous avons vérifié que cette gravure du graphène vienne plutôt de la présence de traces d'oxygène dans l'atmosphère du four ou dans la bombonne d'hydrogène. Pour cela, nous avons adopté une approche basée sur des expériences de recuits systématiques de graphène sur des feuilles de cuivre en présence d'hydrogène de différentes puretés.  ABSTRACT: Graphene, the single-atom layer of carbon, has attracted scientists and technologists due to its outstanding physical and opto/electronic properties. The use of graphene in practical applications requires a reliable and cost-effective method to produce large area graphene films with low defects and controlled thicknesses. Direct growth of graphene using chemical vapor deposition (CVD) on copper, in which carbonaceous gaseous species react with the metal substrate in the presence of hydrogen at high temperatures (850-1100° C), led to high coverage of high quality graphene, opening up a promising future for methods of this type and a large step towards commercial realization of graphene products. The present thesis deals with the synthesis of graphene via low pressure CVD (LP-CVD) on copper catalyst using methane as the carbon precursor. The focus is mainly on the determination of the role of hydrogen and oxidizing impurities during graphene formation with an ultimate purpose: to elucidate a viable and reproducible method for the production of high quality graphene films compatible with industrial manufacturing processes. The role of molecular hydrogen in graphene CVD is explored in the first part of the thesis. Few studies claimed that molecular hydrogen etches graphene films on copper by conducting annealing experiments. On the other hand, we speculated that this graphene etching reaction is due to the presence of trace amount of oxygen in the furnace atmosphere. Thus, we took another approach and designed systematic annealing experiments to investigate the role of hydrogen in the etching reaction of graphene on copper foils. No evidence of graphene etching on copper was observed when purified ultra high purity (UHP) hydrogen was used at 825 °C and 500 mTorr. Nevertheless, graphene films exposed to the unpurified UHP hydrogen were etched due to the presence of oxidizing impurities. Our results show that hydrogen is not responsible for graphene etching reaction and oxygen impurities are the main cause of this etching reaction. We have also determined that graphene etching reaction is catalyzed by the copper surface. Next, we systematically investigated the role that hydrogen plays during the growth and coolingdown stage of LP-CVD of graphene on copper.


identifier: Ben Cheikh, T. L. (2015). Parallelization Strategies for Modern Computing Platforms: Application to Illustrative Image Processing and Computer Vision Applications  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: L'évolution spectaculaire des technologies dans le domaine du matériel et du logiciel a permis l'émergence des nouvelles plateformes parallèles très performantes. Ces plateformes ont marqué le début d'une nouvelle ère de la computation et il est préconisé qu'elles vont rester dans le domaine pour une bonne période de temps. Elles sont présentes déjà dans le domaine du calcul de haute performance (en anglais HPC, High Performance Computer) ainsi que dans le domaine des systèmes embarqués. Récemment, dans ces domaines le concept de calcul hétérogène a été adopté pour atteindre des performances élevées. Ainsi, plusieurs types de processeurs sont utilisés, dont les plus populaires sont les unités centrales de traitement ou CPU (de l'anglais Central Processing Unit) et les processeurs graphiques ou GPU (de l'anglais Graphics Processing Units). La programmation efficace pour ces nouvelles plateformes parallèles amène actuellement non seulement des opportunités  mais aussi des défis importants pour les concepteurs. Par conséquent, l'industrie a besoin de l'appui de la communauté de recherche pour assurer le succès de ce nouveau changement de paradigme vers le calcul parallèle. Trois défis principaux présents pour les processeurs GPU massivement parallèles (ou “many-cores”) ainsi que pour les processeurs CPU multi-coeurs sont: (1) la sélection de la meilleure plateforme parallèle pour une application donnée, (2) la sélection de la meilleure stratégie de parallèlisation et (3) le réglage minutieux des performances (ou en anglais performance tuning) pour mieux exploiter les plateformes existantes. Dans ce contexte, l'objectif global de notre projet de recherche est de définir de nouvelles solutions pour aider à la programmation efficace des applications complexes  sur les plateformes parallèles modernes. Les principales contributions à la recherche sont: 1. L'évaluation de l'efficacité d'accélération pour plusieurs plateformes parallèles, dans le cas des applications de calcul intensif. 2. Une analyse quantitative des stratégies de parallèlisation et implantation sur les plateformes à base de processeurs CPU multi-cœur ainsi que pour les plateformes à base de processeurs GPU massivement parallèles. 3. La définition et la mise en place d'une approche de réglage de performances (en Anglais performance tuning) pour les plateformes parallèles. Les contributions proposées ont été validées en utilisant des applications réelles illustratives et un ensemble varié de plateformes parallèles modernes.  ABSTRACT: With the technology improvement for both hardware and software, parallel platforms started a new computing era and they are here to stay. Parallel platforms may be found in High Performance Computers (HPC) or embedded computers. Recently, both HPC and embedded computers are moving toward heterogeneous computing platforms. They are employing both Central Processing Units (CPUs) and Graphics Processing Units (GPUs) to achieve the highest performance. Programming efficiently for parallel platforms brings new opportunities but also several challenges. Therefore, industry needs help from the research community to succeed in its recent dramatic shift to parallel computing. Parallel programing presents several major challenges. These challenges are equally present whether one programs on a many-core GPU or on a multi-core CPU. Three of the main challenges are: (1) Finding the best platform providing the required acceleration (2) Select the best parallelization strategy (3) Performance tuning to efficiently leverage the parallel platforms. In this context, the overall objective of our research is to propose a new solution helping designers to efficiently program complex applications on modern parallel architectures. The contributions of this thesis are: 1. The evaluation of the efficiency of several target parallel platforms to speedup compute-intensive applications. 2. The quantitative analysis for parallelization and implementation strategies on multicore CPUs and many-core GPUs. 3. The definition and implementation of a new performance tuning framework for heterogeneous parallel platforms. The contributions were validated using real computation intensive applications and modern parallel platform based on multi-core CPU and many-core GPU.


identifier: Asiedu-Boateng, P. (2015). Attrition Resistance of CaO-CuO-Cem Powder for CO2 Capture in Calcium Looping Processes  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La demande mondiale pour les combustibles fossiles continue d'augmenter, et les préoccupations concernant l'émission de gaz à effet de serre et autres problèmes connexes n'ont jamais été aussi élevées. La recherche de solutions au réchauffement climatique a reçu l'attention souhaitée et plusieurs technologies ont été développées. L'utilisation de solutions amines en tant qu'absorbant est maintenant disponible au niveau commercial, mais les coûts et les conséquences environnementales en limitent le déploiement. Les cycles à boucle de calcium (carbonate looping, CaL) sont également en développement, mais le recours à une unité de séparation de l'air très onéreuse pour la production d'oxygène pur est nécessaire. Pour résoudre ces inconvénients, nous suggérons l'utilisation des technologies de solutions amines et des cycles impliquant des composés à base de carbonate de calcium (CaL) à capture de carbone ainsi que les techniques de séquestration. Canmet Énergie a synthétisé un nouveau sorbant (CaO-CuO-ciment) qui permet d'intégrer les cycles à carbonate (CaL) à la combustion en boucle chimique (chemical looping combustion, CLC) pour l'utilisation dans des réacteurs à lit fluidisé. Ce couplage permet de circonscrire le besoin d'une unité de séparation de l'air. En vue de son utilisation, ce nouveau absorbant doit présenter une excellente tenue mécanique lorsqu'il est fluidisé. L'attrition des particules de l'absorbant survient en raison des collisions entre particules et avec les parois des réacteurs (en particulier dans les régions où des jets à haute vitesse sont présents). Peu d'essais d'attrition sont mentionnés dans la littérature pour des températures de 500 C. Nous proposons une étude permettant de simuler les conditions causant l'attrition des particules dans des réacteurs à lit fluidisé lors de cycles à calcium, incluant des essais menés à 800 C. La composition d'un absorbant est critique pour sa tenue mécanique dans de telles conditions. Nous avons mesuré le taux d'attrition pour quatre compositions d'absorbants dans un montage de taille industrielle et comparé celui-ci à celui d'échantillons de calcaire extrait à partir du minerai de cadomin ainsi que deux catalyseurs commerciaux : le pyrophosphate de vanadyle (VPO) et le craquage catalytique fluide(FCC). Nous avons étudié l'effet de différents paramètres d'exploitation, telle que la vitesse du gaz dans l'orifice comprise entre 180ms−1 to 240ms−1, la masse volumique du gaz de fluidisation (air, dioxyde de carbone et hélium), la calcination (absorbant calciné 800 C durant 2 heures) ainsi que la température (23 C, 500 C 800 C). L'effet de la conception du système sur l'attrition a également été analysé, telle que le diamètre de l'orifice (0.39, 0.45 et 0.5mm ) de même que la composition de l'absorbant. Dans chacun des essais, un échantillon de 20 g de poudre a été inséré dans un cylindre métallique puis de l'air passe à travers des orifices de dimensions interchangeables : des orifices de 0.39, 0.45 et 0.5mm forés dans une plaque métallique permettant des vitesses de gaz entre 180ms−1 à 240ms−1 à des températures de 23 C, 500 C et 800 C ont été utilisés. La vitesse élevée du gaz influence la performance de l'absorbant ainsi que les contraintes mécaniques prédites sur les buses de barboteurs et la plaque de grille dans les réacteurs commerciaux à lit fluidisé. Les fines particules créées par l'attrition sont élutriées sur un tube d'une longueur de de 1.7 m et collectées dans un filtre, puis pesées. Le taux d'attrition vi du VPO et du FCC à une vitesse de gaz de 180ms−1 sont de 5 et 7 mgh−1, respectivement, alors que ce taux s'élève à 10 mgh−1 dans le cas du CaO40−CuO50−cem10. Le CaO90cem10 présente une résistance à l'attrition 1.3 fois supérieure à celle du CaO40CuO50cem10. Ces résultats démontrent qu'un ajout de 10% de ciment augmente la résistance à l'attrition d'un facteur 1.5 par rapport au calcaire de Cadomin. Dans le cas des essais à des températures de 500 C et 800 C, le taux de génération des particules fines pour le CaO40CuO50Cem10 n'a augmenté que de 6 %, probablement en raison de l'agglomération de celles-ci. Pour les mêmes températures, le taux de génération des particules fines a quasiment doublé pour le CaO90Cem10. Le taux de génération de particules fines varie de façon linéaire avec le débit de gaz et selon le carré du diamètre de l'orifice.  ABSTRACT: The global demand for fossil fuels continues to increase and concerns over emission of greenhouse gases and their associated problems has never been greater. Search for solutions to global warming has received the needed attention and several technologies are under developed. Use of amine based liquid adsorbents are commercially available but cost and environmental consequences limit their frequent deployment. Calcium looping (CaL) is also under development but an expensive air separation unit is required. We need a technology that overcomes deficiencies in the use of amine based and CaL carbon capture and sequestration techniques. Canmet Energy have synthesized novel sorbent, CaO−CuO−Cem with different compositions based on mass fraction, that integrates calcium looping (CaL) and chemical looping combustion (CLC) for fluidized bed applications with the view to eliminate the air separation unit. The first criterion in accepting this sorbent is to ensure that it does not degrade mechanically during fluidized bed operation due to particle-particle and particle-containing vessel (at high velocity jetting regions) collisions . Attrition test has been reported at temperature of 500 C. We present an extensive attrition study that simulates all possible conditions in fluidized bed during calcium looping including tests at 800 C. A sorbent composition that optimizes attrition resistance is needed. We have measured the attrition resistance of four compostions of the sorbent CaO-CuO-Cem in an industrial scale jet mill and compared them with those of crushed cadomin limestone and two other commercial catalysts: vanadyl pyrophosphate (VPP) and fluid catalytic cracking (FCC). We studied the effect of orifice gas velocity (180ms−1 to 240ms−1), fluidizing gas density (air, CO2 and He), calcination (calcined sorbent for 2 h at 800 C) and temperature (23 C, 500 C and 800 C). The effect of system design such as orifice diameter (0.39 mm, 0.45mm and 0.5mm) as well as sorbent composition have also been investigated. In each test, we charged 20 g of powder to a metal cylinder and passed air through an interchangeable single orifice of varying diameter: 0.39 mm, 0.41mm and 0.5mm drilled through a metal plate. The high velocity gas impinged on the sorbent, which mimicked the expected mechanical stresses at the nozzles of spargers and grid plate in commercial fluidized bed reactors. Attrited fines elutriated through a 1.7m long tube and collected in a thimble filter. The attrition rates of VPO and FCC at at 23 C and orifice gas velocity of 180ms−1 were 5 mgh−1 and 7mgh−1 respectively; it was 10 mgh−1 for the CaO40−CuO50−Cem10 sorbent. CaO90−Cem10 was 1.3 times more resistant compared with CaO40−CuO50−Cem10. These results show that 10% cement increased attrition resistance of novel sorbent by 50% as compared with base natural cadomin limestone. Due to agglomeration, rate of fines generation for CaO40−CuO50−Cem10 remained essentially constant when temperature was increased from 500 C to 800 C. Over the same temperature range of 500 C to 800 C, rate of material loss from CaO90−Cem10 almost doubled.


identifier: Nguyen, T. A. A. (2015). Simulation d'un puits à colonne permanente en milieu fracturé à l'aide de la méthode des ondelettes de Haar  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: La modélisation des systèmes géothermiques à puits à colonne permanente consiste en un problème couplé fortement non-linéaire qui nécessite à la fois la détermination de la réponse thermique et hydraulique d'un milieu géologique soumis à des conditions aux limites variables dans le temps. La modélisation d'un tel système peut être fastidieuse et exigeante en termes de puissance informatique et résulter en un temps de calcul peu pratique. L'objectif général de la thèse est de développer un modèle numérique rapide et efficace d'un PCP intégrant les phénomènes de diffusion-advection de la chaleur et de l'écoulement de l'eau souterraine en milieux géologiques fracturés."  ABSTRACT: The modeling of standing column well geothermal systems is a strongly coupled nonlinear problem that requires both the determination of thermal and hydraulic responses of a geological environment with time-varying boundary conditions. The modeling of such system can be tedious and demanding in terms of computing power, and can lead to impractical calculation times. The overall aim of the thesis is to develop a fast and efficient numerical model of a standing column well incorporating advection-diffusion of heat and groundwater flow in fractured geological media."


identifier: Couturier, D. (2015). Traçage de logiciels bénéficiant d'accélération graphique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: En programmation, les récents changements d'architecture comme les processeurs à plusieurs cœurs de calcul rendirent la synchronisation des tâches qui y sont exécuté plus complexe à analyser. Pour y remédier, des outils de traçage comme LTTng furent implémentés dans l'optique de fournir des outils d'analyse de processus tout en gardant en tête les défis qu'implique les systèmes multi-cœur. Une seconde révolution dans le monde de l'informatique, les accélérateurs graphiques, créa alors un autre besoin de traçage. Les manufacturiers d'accélérateurs graphiques fournirent alors des outils d'analyse pour accélérateurs graphiques. Ces derniers permettent d'analyser l'exécution de commandes sur les accélérateurs graphiques. Ce mémoire apporte une solution au manque d'outil de traçage unifié entre le système hôte (le processeur central (CPU)) et l'exécution de noyaux de calcul OpenCL sur le périphérique (l'accélérateur graphique (GPU)). Par unifié, nous référons à la capacité d'un outil de prise de traces à collecter une trace du noyau de l'hôte sur lequel un périphérique d'accélération graphique est présent en plus de la trace d'exécution du périphérique d'accélération graphique. L'objectif initial principal de ce mémoire avait été défini comme suit: fournir un outil de traçage et les méthodes d'analyse qui permettent d'acquérir simultanément les traces de l'accélérateur graphique et du processeur central. En plus de l'objectif principal, les objectifs secondaires ajoutaient des critères de performance et de visualisation des traces enregistrés par la solution que ce mémoire présente. Les différentes notions de recherche explorés ont permis d'établir de hypothèses de départ. Ces dernières mentionnaient que le format de trace Common Trace Format (CTF) semblait permettre l'enregistrent de traces à faible surcoût et que des travaux précédents permettront d'effectuer la synchronisation entre les différents espaces temporels du CPU et du GPU. La solution présentée, OpenCL User Space Tracepoint (CLUST) consiste en une librairie qui remplace les symboles de la librairie de calcul GPGPU OpenCL. Pour l'utiliser, elle doit être chargée dynamiquement avant de lancer le programme à tracer. Elle instrumente ensuite toutes les fonctions d'OpenCL grâce aux points de trace LTTng-UST, permettant alors d'enregistrer les appels et de gérer les événements asynchrones communs aux GPUs. La performance de la librairie faisant partie des objectifs de départ, une analyse de la performance des différents cas d'utilisation de cette dernière démontre son faible surcoût : pour les charges de travail d'une taille raisonnable, un surcoût variant entre 0.5 % et 2 % fut mesuré.  Cet accomplissement ouvre la porte à plusieurs cas d'utilisation. Effectivement, considérant le faible surcoût d'utilisation, CLUST ne représente pas seulement un outil qui permet l'acquisition de traces pour aider au développement de programmes mais peut aussi servir en tant qu'enregistreur permanent dans les systèmes critiques. La fonction "d'enregistreur de vol" de LTTng permet d'enregistrer une trace au disque seulement lorsque requis : l'ajout de données concernant l'état du GPU peut se révéler être un précieux avantage pour diagnostiquer un problème sur un serveur de production. Le tout sans ralentir le système de façon significative.  ABSTRACT: In the world of computing, programmers now have to face the complex challenges that multi-core processors have brought. To address this problem, tracing frameworks such as LTTng were implemented to provide tools to analyze multi-core systems without adding a major overhead on the system. Recently, Graphical Processing Units (GPUs) started a new revolution: General Purpose Graphical Processing Unit (GPGPU) computing. This allows programs to offload their parallel computation sections to the ultra parallel architecture that GPUs offer. Unfortunately, the tracing tools that were provided by the GPU manufacturers did not interoperate with CPU tracing. We propose a solution, OpenCL User Space Tracepoint (CLUST), that enables OpenCL GPGPU computing tracing as an extension to the LTTng kernel tracer. This allows unifying the CPU trace and the GPU trace in one efficient format that enables advanced trace viewing and analysis, to include both models in the analysis and therefore provide more information to the programmer. The objectives of this thesis are to provide a low overhead unified CPU-GPU tracing extension of LTTng, the required algorithms to perform trace domain synchronization between the CPU and the GPU time source domain, and provide a visualization model for the unified traces. As foundation work, we determined that already existing GPU tracing techniques could incorporate well with LTTng, and that trace synchronization algorithms already presented could be used to synchronize the CPU trace with the GPU trace. Therefore, we demonstrate the low overhead characteristics of the CLUST tracing library for typical applications under different use cases. The unified CPU-GPU tracing overhead is also measured to be insignificant (less than 2%) for a typical GPGPU application. Moreover, we use synchronization methods to determine the trace domain synchronization value between both traces. This solution is a more complete and robust implementation that provides the programmer with the required tools, never before implemented, in the hope of helping programmers develop more efficient OpenCL applications.


identifier: Li, X. (2015). Multiple-Input Multiple-Output Communications Systems Using Reconfigurable Antennas  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Depuis les années 1990, l'utilisation des systèmes de communications sans-fil à entrées multiples-sorties multiples (MIMO) a été introduit pour fournir des transmissions fiables à grande vitesse. Cette thèse porte sur l'application et l'étude des systèmes MIMO avec des antennes reconfigurables, qui sont ajustable électroniquement pour produire différents diagrammes de rayonnement d'un seul élément d'antenne et ainsi offrir une diversité de diagrammes de rayonnement. En particulier, nous étudions le comportement de la capacité de canal des systèmes MIMO à sélection de diagrammes de rayonnement (PS-MIMO), et nous proposons aussi des algorithmes de sélection du diagramme de rayonnement atteignant la capacité maximale.  Tout d'abord, nous étudions l'application des antennes reconfigurables dans l'estimation des statistiques spatiales à long terme de canaux spatiaux avec grappes de multi-trajets (cluster). Nous proposons un estimateur de spectre de type Capon et une technique d'adaptation de la covariance (COMET) pour estimer conjointement l'angle moyen et l'étalement angulaire de la grappe spatiale avec des antennes reconfigurables. En second lieu, sur la base des statistiques à long terme du canal MIMO, nous proposons des algorithmes de sélection de diagramme de rayonnement MIMO (SPS-MIMO) pour atteindre la capacité maximale de canal ergodique. L'analyse de la maximisation de la capacité ergodique du système SPS-MIMO indique que le modèle statistique de sélection fournit des gains supplémentaires en améliorant la puissance du signal reçu et en décorrélant les signaux reçus avec différents diagrammes de rayonnement directionnels. Troisièmement, nous nous concentrons sur le modèle de sélection instantanée des diagrammes de rayonnement MIMO (IPS-MIMO) basé sur des informations instantanées d'état de canal (CSI) afin de maximiser la capacité instantanée pour chaque réalisation de canal. Nous démontrons que l'ordre de diversité des systèmes MIMO peut être multipliée par le nombre de diagrammes de rayonnement avec sélection de diagramme instantanée. Afin d'évaluer la capacité moyenne de l'IPS-MIMO, nous proposons un nouvel algorithme qui permet d'approximer étroitement la moyenne de la valeur maximale de la capacité du canal MIMO avec des trajets arbitrairement corrélés. Nous proposons également un algorithme pour sélectionner instantanément les diagrammes de rayonnement pour atteindre la capacité moyenne. En outre, sur la base d'une simple expression en forme fermée de la capacité coefficient de corrélation, nous sommes en mesure de proposer un algorithme de sélection de sous-ensemble de diagrammes qui offre un compromis entre performances et la complexité de l'algorithme de sélection. En conclusion, des gains de performance importants peuvent être obtenus grâce à la combinaison de l'utilisation d'antennes reconfigurables et de systèmes MIMO avec soit des algorithmes de sélection de diagramme de rayonnement statistique ou instantanée. La capacité des systèmes PS-MIMO à améliorer les performances du système, y compris la capacité et de l'ordre de la diversité, est démontrée par l'analyse théorique et des simulations numériques.  ABSTRACT: Since the 1990s, the use of multiple-input multiple-output (MIMO) systems has been introduced to modern wireless communications to provide reliable transmission at high data rates. This thesis focuses on the application of MIMO systems with reconfigurable antennas, which are electronically tunable to produce a number of radiation patterns at a single antenna element and provide pattern diversity. In particular, we investigate the capacity performance of the pattern selection MIMO (PS-MIMO) systems, and we also present maximum capacity achieving algorithms for radiation pattern selection. First, we investigate the application of reconfigurable antennas in estimating long term spatial statistics of spatial clustered channels. We propose a Capon-like spectrum estimator and a covariance matching technique (COMET) to jointly estimate the mean angle and the angular spread of the spatial cluster with reconfigurable antennas. Second, based on the long term statistics of the MIMO channel, we propose statistical pattern selection MIMO (SPS-MIMO) algorithms to achieve maximum ergodic channel capacity. Analysis of the ergodic capacity maximization of the SPS-MIMO indicates that the statistical pattern selection provides additional gains by enhancing received signal power and decorrelating received signals with different directional radiation patterns. Third, we focus on the instantaneous pattern selection MIMO (IPS-MIMO) based on instantaneous channel state information (CSI) in order to maximize the instantaneous capacity for every channel realization. We prove that the diversity order of MIMO systems can be multiplied by the number of radiation patterns with instantaneous pattern selection. In order to evaluate the mean capacity of the IPS-MIMO, we propose a novel algorithm which closely approximates the mean of the maximum of the channel capacity of arbitrarily correlated MIMO channels. We also propose an algorithm for instantaneously selecting radiation patterns to achieve the mean capacity. In addition, based on a simple closed-form approximation to the capacity correlation coefficient, we are able to propose a subset pattern selection algorithm which enables the trade-off between performances and complexity. In conclusion, important extra gains can be obtained as a result of combining the use of reconfigurable antennas and MIMO systems with either statistical or instantaneous radiation pattern selection. The capability of the PS-MIMO to improve system performances, including capacity and diversity order, is demonstrated through theoretical analysis and numerical simulations.


identifier: Mami, F. (2015). Éco-efficience et analyse des coûts du cycle de vie : développement d'un outil d'aide à la conception dans l'industrie aéronautique  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Le secteur aéronautique, aujourd'hui responsable d'environ 3% des émissions mondiales de gaz à effet de serre, prévoit une croissance de 70% en 2025 et de 300% à 500% en 2050 de ses émissions par rapport au niveau de 2005 (European Commission, 2015). Les décideurs doivent donc être supportés dans leur choix de conception afin d'intégrer l'aspect environnemental dans la prise de décision. Notre partenaire industriel dans le secteur aéronautique a développé une expertise en Analyse environnementale du Cycle de Vie (AeCV) et cherche à intégrer les couts et les résultats environnementaux de manière systématique dans l'écoconception des produits. Sur la base de la revue de littérature et des objectifs de cette recherche, nous proposons un modèle d'éco-efficience qui intègre l'AeCV avec l'Analyse environnementale des Coûts du Cycle de Vie (AcCV). Ce modèle est cohérent avec les objectifs de réduction des couts et des impacts environnementaux définis et permet une interprétation simple des résultats tout en minimisant les efforts lors de la collecte de données. Le modèle est appliqué au cas de l'impression 3D comme alternative de production à l'usinage d'un bloqueur de portes d'aéronef. L'impression 3D est une nouvelle technologie de production par ajout de matière et présente des opportunités intéressantes de réduction des coûts et des impacts environnementaux, notamment dans le domaine aéronautique. Les résultats ont montré que l'impression 3D, lorsqu'associée à une amélioration de la topologie de la pièce, permet une amélioration à la fois des coûts et des impacts environnementaux sur le cycle de vie de la pièce. Néanmoins, les résultats sont sensibles à la productivité de la machine de production par impression 3D, notamment en ce qui concerne les coûts lorsque la productivité de l'impression 3D est réduite. Le modèle d'éco-efficience développé présente plusieurs opportunités d'amélioration. La définition plus élaborée des objectifs de réduction des impacts environnementaux permettrait d'orienter les choix de conception vers des considérations d'éco-efficience à un niveau macro. D'autre part, l'intégration de la dimension sociale dans le modèle constitue une étape importante afin d'opérationnaliser les enjeux de responsabilité environnementale et sociale de l'entreprise.  ABSTRACT: The aeronautical sector, responsible for about 3 % of the world emissions of greenhouse gases, predict a 70 % growth in 2025 and 300 % to 500 % in 2050 of its emissions compared to the level of 2005. The decision-makers must thus be supported in their choice of conception to integrate the environmental aspect into the decision-making. Our industrial partner in the aeronautical sector developed an expertise in Life Cycle Assessment (LCA) and seeks to integrate the costs and the environmental impacts in a systematic way into the ecodesign of products. Based on the literature review and the objectives of this research we propose a model of ecoefficiency, which integrates LCA with Life Cycle Costing (LCC). This model is consistent with defined cost cutting and environmental impacts reduction targets and allows a simple interpretation of the results while minimizing the efforts during data collection. The model is applied for 3D printing as an alternative production process in the manufacturing of an aircraft blocker door. 3D printing is a new technology of production working by addition of material and present interesting opportunities of cost cutting and environmental impacts, particularly in the aeronautical domain. The results showed that 3D printing, when associated with improvement in the topology of the part, allows an improvement both on costs and environmental impacts of the part life cycle. Nevertheless, the results are sensitive to the productivity of the 3D printing machine, in particular with costs when the productivity of the 3D printing is reduced. This eco-efficiency model presents several opportunities of improvement. A more elaborate definition of the objectives in reduction of environmental impacts would allow to direct the choices in design to considerations of eco-efficiency at a macro level. Moreover, the integration of the social dimension in the model constitutes an important stage to operationalize the stakes of environmental and social responsibility of the company.


identifier: Mohammady, M. (2015). Differentially Private Event Stream Filtering with an Application to Traffic Estimation  [Mémoire de maîtrise, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Beaucoup de systèmes à grande échelle tels que les systèmes de transport intelligents, les réseaux intelligents ou les bâtiments intelligents requièrent que des individus contribuent leurs flux de données privées afin d'amasser, stocker, manipuler et analyser les informations pour le traitement du signal et à des fins de prise de décision. Dans un scénario typique, un essaim de capteurs produit des signaux d'entrée à valeurs discrètes décrivant l'occurrence d'événements relatifs à ces individus. En conséquence, des statistiques utiles doivent être publiées continuellement et en temps réel. Cependant, cela peut engendrer une perte de confidentialité pour les utilisateurs. Cette thèse considère le problème de fournir des garanties de confidentialité différentielle pour ces systèmes multi-sorties multi-entrées fonctionnant en continu. En particulier, nous considérons la question de confidentialité dans le contexte de la théorie des systèmes et nous étudions le problème de génération de signaux qui respectent la confidentialité des utilisateurs qui activent les capteurs. Nous présentons une nouvelle architecture d'estimation des flux de trafic préservant la confidentialité des conducteurs. Nous introduisons aussi une surveillance différentiellement confidentielle d'occupation dans un bâtiment équipé d'un dense réseau de capteurs de détection de mouvement, qui sera utile par exemple pour commander le système HVAC.  ABSTRACT: Many large-scale systems such as intelligent transportation systems, smart grids or smart buildings require individuals to contribute their private data streams in order to amass, store, manipulate and analyze information for signal processing and decision-making purposes. In a typical scenario, swarms of sensors produce discrete-valued input signals that describe the occurrence of events involving these users and several statistics of interest need to be continuously published in real-time. This can however engender a privacy loss for the users in exchange of the utility provided by the application. This thesis considers the problem of providing dierential privacy guarantees for such multi-input multi-output systems operating continuously. In particular, we consider the privacy issues in a system theoretic context, and address the problem of releasing filtered signals that respect the privacy of users who activate the sensors. As a result of this thesis we present a new architecture for privacy preserving estimation of trac flows. We also introduce dierentially private monitoring and forecasting occupancy in a building equipped with a dense network of motion detection sensors, which is useful for example to control its HVAC system.


identifier: Daneshvar, P. (2015). Conditional Mean Spectra, Spectral Correlation Coefficients, and High Damping Spectral Amplitudes for Seismic Design and Evaluation in Canada  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

abstract: RÉSUMÉ: Les séismes présentent une menace majeure contre l'intégrité des structures dans plusieurs zones géographiques du monde. Au Canada, aussi bien à l'Est qu'à l'Ouest, une attention particulière est dédiée à l'évaluation de l'aléa sismique et du risque associé, notamment dans les grands centres urbains tels que Montréal et Vancouver. Il va sans dire que cette évaluation est d'autant plus importante que bon nombre de structures dans ces régions subissent un vieillissement significatif. Par conséquent, les normes et guides de calcul traitant de la conception parasismique sont constamment mis à jour pour prendre en considération les progrès technologiques et ceux en recherche. Les clauses et recommandations énoncées dans ces documents sont principalement fondées, soit directement sur des études des secousses sismiques, ou sur des leçons tirées des expériences passées en comparaison avec les modèles analytiques et/ou numériques. Les dernières versions du Code National du Bâtiment du Canada et du Code canadien sur le Calcul des Ponts Routiers contiennent deux principaux outils qui sont directement développés à partir de séismes et de leurs caractéristiques, à savoir : le spectre d'aléa uniforme (SAU) et le facteur de réduction d'amortissement.  ABSTRACT: Seismic loads are a major source of threat against the integrity of structures in many parts of the world. In Canada, considerable contribution of ground motions to the forces acting on structures is expected in the eastern and western parts of the country where a number of major urban centers such as Montreal and Vancouver are located. This makes Eastern and Western Canada two zones of significant seismic risk. Thus attention has to be paid to the corresponding seismic risk when it comes to urban development and also maintenance and retrofit of the aging structures, particularly in these regions. As a result, seismic design codes and guidelines are constantly being updated to take account of advancements in technology and research. Prescriptions of these documents are mainly based on either direct studies of ground motions or the analyses and past experiences regarding structures and their analytical models. The recent versions of the National Building Code of Canada (NBCC) and the Canadian Highway Bridge Design Code (CHBDC), contain two major design tools which are directly developed from ground motions and their corresponding characteristics: Uniform Hazard Spectrum (UHS) and Damping Reduction Factors.


identifier: Farnia, F. (2015). Timber Auction Simulation and Design  [Thèse de doctorat, École Polytechnique de Montréal].

title: Timber Auction Simulation and Design

abstract: RÉSUMÉ: La commercialisation sous forme de vente aux enchères publique du bois provenant de forêts, comme dans la province de Québec, est une tâche difficile. En effet, il est crucial de déterminer les prix représentatifs de la vente aux enchères de bois dans toutes les régions du Québec afin de permettre à plus d'acheteurs potentiels d'accéder au marché. De même, il est également important de concevoir un système d'enchères qui est bénéfique pour les entreprises forestières et les gens de Québec. La vente unitaire, dans lequel les utilisateurs de bois autorisés à soumissionner pour le lot entier, est actuellement appliquée comme une méthode de vente aux enchères. Dans ce système de vente aux enchères du bois, les utilisateurs de bois sont responsables de la récolte de la totalité du lot et pour la revente espèces ligneuses indésirables à d'autres utilisateurs. Dans ce projet, nous analysons d'abord différentes configurations d'enchères à rondes multiples de type premier prix sous pli scellé, tel que proposé par le ministère des Ressources naturelles du Québec, afin de mieux comprendre la dynamique et les facteurs dominants de la réussite de ce type de mécanisme d'allocation de bois. Pour cela, nous utilisons la simulation à base d'agents pour modéliser et simuler des ventes aux enchères, en proposant notamment des comportements de soumissionnaires réalistes, incluant des stratégies d'adaptation et d'apprentissage, qui ont été simulées et comparées dans diverses configurations. Les comparaisons ont été menées en mesurant notamment le taux de succès de gagner l'enchère et le prix unitaire remporté en $/m3. Cette étude suggère également des configurations de paramètres permettant maximiser les recettes pour le commissaire-priseur. À l'étape suivante de la recherche, cette thèse présente la simulation de la vente de plusieurs sortes de bois rond en utilisant une méthode d'enchères combinatoires. Dans ce processus de vente, les soumissionnaires peuvent avoir besoin d'une combinaison des produits. En utilisant l'approche par simulation, les résultats montrent que les revenus générés par enchère combinatoire peuvent être plus élevés que le revenu de l'enchère unitaire. Afin d'effectuer une analyse de sensibilité, les expériences sont répétées et testés avec diverses combinaisons de quatre paramètres de configuration. Les résultats de l'analyse permettent d'évaluer dans quel contexte l'enchère combinatoire peut faire mieux que l'enchère unitaire, et cela dans différents marchés. Enfin, cette thèse présente un système d'enchères combinatoires qui alloue le bois aux soumissionnaires afin d'améliorer la coordination des dépendances entre les soumissionnaires retenus dans les zones forestières mixtes (c'est à dire avec plusieurs types de produits et utilisateurs potentiels). Pour supporter la coordination des opérations et améliorer la fraicheur du bois, nous proposons une vente aux enchères combinatoire, qui permet aux soumissionnaires d'ajuster la valeur des offres en fonction du temps, via une sorte de calendriers. Cette enchère combinatoire permet ainsi au commissaire-priseur de trouver les meilleures combinaisons de soumissions gagnantes maximisant ainsi les préférences temporelles des soumissionnaires. Pour cela, nous définissons un nouveau problème de détermination du vainqueur (WDP) qui utilise ces fonctions de valeur. Afin de comparer l'impact de diverses préférences temporelles, une analyse de sensibilité est menée. Mots-clés: enchères du bois, enchères séquentielles, la stratégie d'apprentissage, systèmes multi-agents, l'affectation enchères combinatoire, la coordination, la fraicheur du bois, et de problèmes de détermination du vainqueur.  ABSTRACT: The marketing of wood obtained from forests in public auction, such as in the province of Québec, is a challenging task. Indeed, it is crucial to determine representative prices of the wood auction in all regions of Quebec in order to allow more potential buyers to access the market. Similarly, it is also important to design an auction system that is beneficial for forest companies and the people of Québec. Single-unit auction, in which timber users allowed to bid on the entire lot, is currently applied as a method of auction. In this timber auction system, timber users (i.e., winners) are responsible for harvesting the entire lot and for reselling unwanted timber species to other users. In this project, we first analyze various configurations of the multiple-round first-price sealed-bid auction of wood as proposed by the Québec Ministry of Natural Resources to better understand the dynamics and the dominant factors of success of this type of wood allocation mechanism. To do so, we use agent-based simulation to model and simulate auctions with realistic bidders' behavior. Different bidding patterns including adaptive and learning strategies are then simulated and compared in various setup configurations. The comparisons have been conducted on the success rate of winning the auction and the winning price per m3. This study also suggests parameter configurations to maximize revenue for the auctioneer. In the next step of research, in the last part, this thesis presents the simulation of multiple-round timber combinatorial auction as the bidders may need variety of species and the size of timber companies may be different. Using simulation approach, the results shows the revenue generated by combinatorial auction can be higher than the revenue of a single unit auction. In order to do sensitive analysis of the comparison, the experiments are repeated and tested with different setup configuration of four parameters. The results of analysis help to evaluate how combinatorial auction can perform better than single auction in different markets. Finally, we intend to present an auction system, which allocates wood to bidders in order to improve the coordination of the dependencies between winning bidders in mixed forest areas (i.e., wood lots with multiple users). To achieve the coordination of procurement operations and improve the freshness of the wood, we propose an auction, by allowing the value of bids to be expressed as a function of time, via some sort of timetables, and by using a combinatorial auction that will allow the auctioneer to find the best combinations of winning bids. In order to do that, we define a new winner determination problem (WDP) that use these value functions for coordination procurement and delivery operations and wood freshness. In order to compare the proposed time-based combinatorial auction with combinatorial auction a sensitive analysis is conducted. The comparison is done according to bidders' and seller's time flexibility. Keywords: timber auction, sequential auction, learning strategy, multi agent system, allocation combinatorial auction, coordination, wood freshness, and winner determination problem.