Modélisation d'éléments finis pour les interactions fluide-structure

Cette thèse concerne la modélisation des interactions fluide-structure et les méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première partie concerne l’étude des interactions fluide-structure par la méthode des domaines fictifs. Dans cette contribution, le fluide est incompressible et laminaire et la structure est considérée rigide, qu’elle soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d’un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte. L’algorithme est basé sur des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide que ce soit en 2D ou en 3D. La seconde partie est l’étude des interactions mécaniques entre une structure flexible et un fluide incompressible. Dans cette contribution, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS). Nous avons adopté à cet effet, la méthode dite «arbitrary Lagrangian-Eulerian» (ALE). La résolution fluide est effectuée itérativement à l’aide d’un schéma de type projection et la structure est modélisée par des modèles hyper élastiques en grandes déformations. Nous avons développé de nouvelles méthodes de mouvement de maillages pour aboutir à de grandes déformations de la structure. Enfin, une stratégie de complexification du problème d’IFS a été définie. La modélisation de la turbulence et des écoulements à surfaces libres ont été introduites et couplées à la résolution des équations de Navier-Stokes. Différentes simulations numériques sont présentées pour illustrer l’efficacité et la robustesse de l’algorithme. Les résultats numériques présentés attestent de la validité et l’efficacité des méthodes numériques développées.

Paire stéréoscopique Panomorphe pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt dans une scène

Il existe désormais une grande variété de lentilles panoramiques disponibles sur le marché dont certaines présentant des caractéristiques étonnantes. Faisant partie de cette dernière catégorie, les lentilles Panomorphes sont des lentilles panoramiques anamorphiques dont le profil de distorsion est fortement non-uniforme, ce qui cause la présence de zones de grandissement augmenté dans le champ de vue. Dans un contexte de robotique mobile, ces particularités peuvent être exploitées dans des systèmes stéréoscopiques pour la reconstruction 3D d’objets d’intérêt qui permettent à la fois une bonne connaissance de l’environnement, mais également l’accès à des détails plus fins en raison des zones de grandissement augmenté. Cependant, à cause de leur complexité, ces lentilles sont difficiles à calibrer et, à notre connaissance, aucune étude n’a réellement été menée à ce propos. L’objectif principal de cette thèse est la conception, l’élaboration et l’évaluation des performances de systèmes stéréoscopiques Panomorphes. Le calibrage a été effectué à l’aide d’une technique établie utilisant des cibles planes et d’une boîte à outils de calibrage dont l’usage est répandu. De plus, des techniques mathématiques nouvelles visant à rétablir la symétrie de révolution dans l’image (cercle) et à uniformiser la longueur focale (cercle uniforme) ont été développées pour voir s’il était possible d’ainsi faciliter le calibrage. Dans un premier temps, le champ de vue a été divisé en zones à l’intérieur desquelles la longueur focale instantanée varie peu et le calibrage a été effectué pour chacune d’entre elles. Puis, le calibrage général des systèmes a aussi été réalisé pour tout le champ de vue simultanément. Les résultats ont montré que la technique de calibrage par zone ne produit pas de gain significatif quant à la qualité des reconstructions 3D d’objet d’intérêt par rapport au calibrage général. Cependant, l’étude de cette nouvelle approche a permis de réaliser une évaluation des performances des systèmes stéréoscopiques Panomorphes sur tout le champ de vue et de montrer qu’il est possible d’effectuer des reconstructions 3D de qualité dans toutes les zones. De plus, la technique mathématique du cercle a produit des résultats de reconstructions 3D en général équivalents à l’utilisation des coordonnées originales. Puisqu’il existe des outils de calibrage qui, contrairement à celui utilisé dans ce travail, ne disposent que d’un seul degré de liberté sur la longueur focale, cette technique pourrait rendre possible le calibrage de lentilles Panomorphes à l’aide de ceux-ci. Finalement, certaines conclusions ont pu être dégagées quant aux facteurs déterminants influençant la qualité de la reconstruction 3D à l’aide de systèmes stéréoscopiques Panomorphes et aux caractéristiques à privilégier dans le choix des lentilles. La difficulté à calibrer les optiques Panomorphes en laboratoire a mené à l’élaboration d’une technique de calibrage virtuel utilisant un logiciel de conception optique et une boîte à outils de calibrage. Cette approche a permis d’effectuer des simulations en lien avec l’impact des conditions d’opération sur les paramètres de calibrage et avec l’effet des conditions de calibrage sur la qualité de la reconstruction. Des expérimentations de ce type sont pratiquement impossibles à réaliser en laboratoire mais représentent un intérêt certain pour les utilisateurs. Le calibrage virtuel d’une lentille traditionnelle a aussi montré que l’erreur de reprojection moyenne, couramment utilisée comme façon d’évaluer la qualité d’un calibrage, n’est pas nécessairement un indicateur fiable de la qualité de la reconstruction 3D. Il est alors nécessaire de disposer de données supplémentaires pour juger adéquatement de la qualité d’un calibrage.

A bio-coke for anode production and the manufacturing method thereof

Dans l’industrie de l’aluminium, le coke de pétrole calciné est considéré comme étant le composant principal de l’anode. Une diminution dans la qualité du coke de pétrole a été observée suite à une augmentation de sa concentration en impuretés. Cela est très important pour les alumineries car ces impuretés, en plus d’avoir un effet réducteur sur la performance des anodes, contaminent le métal produit. Le coke de pétrole est aussi une source de carbone fossile et, durant sa consommation, lors du processus d’électrolyse, il y a production de CO2. Ce dernier est considéré comme un gaz à effet de serre et il est bien connu pour son rôle dans le réchauffement planétaire et aussi dans les changements climatiques. Le charbon de bois est disponible et est produit mondialement en grande quantité. Il pourrait être une alternative attrayante pour le coke de pétrole dans la fabrication des anodes de carbone utilisées dans les cuves d’électrolyse pour la production de l’aluminium. Toutefois, puisqu’il ne répond pas aux critères de fabrication des anodes, son utilisation représente donc un grand défi. En effet, ses principaux désavantages connus sont sa grande porosité, sa structure désordonnée et son haut taux de minéraux. De plus, sa densité et sa conductivité électrique ont été rapportées comme étant inférieures à celles du coke de pétrole. L’objectif de ce travail est d’explorer l’effet du traitement de chaleur sur les propriétés du charbon de bois et cela, dans le but de trouver celles qui s’approchent le plus des spécifications requises pour la production des anodes. L’évolution de la structure du charbon de bois calciné à haute température a été suivie à l’aide de différentes techniques. La réduction de son contenu en minéraux a été obtenue suite à des traitements avec de l’acide chlorhydrique utilisé à différentes concentrations. Finalement, différentes combinaisons de ces deux traitements, calcination et lixiviation, ont été essayées dans le but de trouver les meilleures conditions de traitement.

Techniques en appui des formats de modulation avancés pour les futurs réseaux optiques

Les systèmes de communication optique avec des formats de modulation avancés sont actuellement l’un des sujets de recherche les plus importants dans le domaine de communication optique. Cette recherche est stimulée par les exigences pour des débits de transmission de donnée plus élevés. Dans cette thèse, on examinera les techniques efficaces pour la modulation avancée avec une détection cohérente, et multiplexage par répartition en fréquence orthogonale (OFDM) et multiples tonalités discrètes (DMT) pour la détection directe et la détection cohérente afin d’améliorer la performance de réseaux optiques. Dans la première partie, nous examinons la rétropropagation avec filtre numérique (DFBP) comme une simple technique d’atténuation de nonlinéarité d’amplificateur optique semiconducteur (SOA) dans le système de détection cohérente. Pour la première fois, nous démontrons expérimentalement l’efficacité de DFBP pour compenser les nonlinéarités générées par SOA dans un système de détection cohérente porteur unique 16-QAM. Nous comparons la performance de DFBP avec la méthode de Runge-Kutta quatrième ordre. Nous examinons la sensibilité de performance de DFBP par rapport à ses paramètres. Par la suite, nous proposons une nouvelle méthode d’estimation de paramètre pour DFBP. Finalement, nous démontrons la transmission de signaux de 16-QAM aux taux de 22 Gbaud sur 80km de fibre optique avec la technique d’estimation de paramètre proposée pour DFBP. Dans la deuxième partie, nous nous concentrons sur les techniques afin d’améliorer la performance des systèmes OFDM optiques en examinent OFDM optiques cohérente (CO-OFDM) ainsi que OFDM optiques détection directe (DDO-OFDM). Premièrement, nous proposons une combinaison de coupure et prédistorsion pour compenser les distorsions nonlinéaires d’émetteur de CO-OFDM. Nous utilisons une interpolation linéaire par morceaux (PLI) pour charactériser la nonlinéarité d’émetteur. Dans l’émetteur nous utilisons l’inverse de l’estimation de PLI pour compenser les nonlinéarités induites à l’émetteur de CO-OFDM. Deuxièmement, nous concevons des constellations irrégulières optimisées pour les systèmes DDO-OFDM courte distance en considérant deux modèles de bruit de canal. Nous démontrons expérimentalement 100Gb/s+ OFDM/DMT avec la détection directe en utilisant les constellations QAM optimisées. Dans la troisième partie, nous proposons une architecture réseaux optiques passifs (PON) avec DDO-OFDM pour la liaison descendante et CO-OFDM pour la liaison montante. Nous examinons deux scénarios pour l’allocations de fréquence et le format de modulation des signaux. Nous identifions la détérioration limitante principale du PON bidirectionnelle et offrons des solutions pour minimiser ses effets.

Développement et expérimentation d'algorithmes de réorientation pour un robot sériel en chute libre

Ce mémoire présente 2 types de méthodes pour effectuer la réorientation d’un robot sériel en chute libre en utilisant les mouvements internes de celui-ci. Ces mouvements sont prescrits à partir d’algorithmes de planification de trajectoire basés sur le modèle dynamique du robot. La première méthode tente de réorienter le robot en appliquant une technique d’optimisation locale fonctionnant avec une fonction potentielle décrivant l’orientation du système, et la deuxième méthode applique des fonctions sinusoïdales aux articulations pour réorienter le robot. Pour tester les performances des méthodes en simulation, on tente de réorienter le robot pour une configuration initiale et finale identiques où toutes les membrures sont alignées mais avec le robot ayant complété une rotation de 180 degrés sur lui-même. Afin de comparer les résultats obtenus avec la réalité, un prototype de robot sériel plan flottant possédant trois membrures et deux liaisons rotoïdes est construit. Les expérimentations effectuées montrent que le prototype est capable d’atteindre les réorientations prescrites si peu de perturbations extérieures sont présentes et ce, même si le contrôle de l’orientation est effectué en boucle ouverte.

Développement de la polymérisation par (hétéro)arylation directe pour l’électronique organique

L’électronique organique suscite un intérêt grandissant en recherche grâce aux nouvelles possibilités qu’elle offre pour faciliter l’intégration de dispositifs électroniques dans nos vies. Grâce à elle, il est possible d’envisager des produits légers, flexibles et peu coûteux à produire. Les classes majeures de dispositifs étudiées sont les cellules photovoltaïques organiques (CPO) et les transistors organiques à effet de champ (TOEC). Dans les dernières années, une attention particulière a été portée sur les méthodes de polymérisation des matériaux organiques entrant dans la fabrication de ces dispositifs. La polymérisation par (hétéro)arylation directe (PHAD) catalysée au Pd offre une synthèse sans dérivé organométallique utilisant simplement un lien C-H aromatique, ce qui facilite la purification, diminue le nombre d’étapes et rend possible la production de matériaux à plus faible coût. De plus, la PHAD permet la préparation de matériaux qui était difficile, voire impossible, à obtenir auparavant. Cependant, l’inconvénient majeur de la PHAD reste sa limitation à certaines classes de polymères possédant des monomères ayant des positions bloquées favorisant qu’une seule paire de liaisons C-H. Dans le cadre de ces travaux de doctorat, l’objectif général est d’étudier la polymérisation par PHAD afin d’accéder à des classes de monomères qui n’étaient pas envisageables auparavant et à étendre l’application de cet outil dans le domaine des polymères conjugués. Plus spécifiquement, nous avons étudié l’utilisation de groupements protecteurs et partants sur des unités de benzodithiophènes et de bithiophène-silylés. Suivant ces résultats, nos travaux ont porté sur la polymérisation de dérivés de bithiophènes avec des bromo(aryle)s, une classe de polymères fréquemment utilisée en électronique organique mais qui était jugée impossible à polymériser par PHAD auparavant. Cette étude a montré l’importance de contrôler la PHAD afin d’obtenir le polymère souhaité. Finalement, nous avons étudié l’effet du système catalytique sur le taux de β−ramifications lors de la synthèse de polymères à base de thiophènes. Dans cette dernière étude, nous avons démontré l’importance d’utiliser des outils de caractérisation adéquats afin de confirmer la qualité des polymères obtenus.

Critère de validation croisée pour le choix des modèles des petits domaines au niveau des unités

Ce mémoire s’intéresse à l’étude du critère de validation croisée pour le choix des modèles relatifs aux petits domaines. L’étude est limitée aux modèles de petits domaines au niveau des unités. Le modèle de base des petits domaines est introduit par Battese, Harter et Fuller en 1988. C’est un modèle de régression linéaire mixte avec une ordonnée à l’origine aléatoire. Il se compose d’un certain nombre de paramètres : le paramètre β de la partie fixe, la composante aléatoire et les variances relatives à l’erreur résiduelle. Le modèle de Battese et al. est utilisé pour prédire, lors d’une enquête, la moyenne d’une variable d’intérêt y dans chaque petit domaine en utilisant une variable auxiliaire administrative x connue sur toute la population. La méthode d’estimation consiste à utiliser une distribution normale, pour modéliser la composante résiduelle du modèle. La considération d’une dépendance résiduelle générale, c’est-à-dire autre que la loi normale donne une méthodologie plus flexible. Cette généralisation conduit à une nouvelle classe de modèles échangeables. En effet, la généralisation se situe au niveau de la modélisation de la dépendance résiduelle qui peut être soit normale (c’est le cas du modèle de Battese et al.) ou non-normale. L’objectif est de déterminer les paramètres propres aux petits domaines avec le plus de précision possible. Cet enjeu est lié au choix de la bonne dépendance résiduelle à utiliser dans le modèle. Le critère de validation croisée sera étudié à cet effet.

Modélisation des machines par circuits couplés pour l’observation des courants de barres au rotor

Ce travail présente une modélisation rapide d’ordre élévé capable de modéliser une configuration rotorique en cage complète ou en grille, de reproduire les courants de barre et tenir compte des harmoniques d’espace. Le modèle utilise une approche combinée d’éléments finis avec les circuits-couplés. En effet, le calcul des inductances est réalisé avec les éléments finis, ce qui confère une précision avancée au modèle. Cette méthode offre un gain important en temps de calcul sur les éléments finis pour des simulations transitoires. Deux outils de simulation sont développés, un dans le domaine du temps pour des résolutions dynamiques et un autre dans le domaine des phaseurs dont une application sur des tests de réponse en fréquence à l’arrêt (SSFR) est également présentée. La méthode de construction du modèle est décrite en détail de même que la procédure de modélisation de la cage du rotor. Le modèle est validé par l’étude de machines synchrones: une machine de laboratoire de 5.4 KVA et un grand alternateur de 109 MVA dont les mesures expérimentales sont comparées aux résultats de simulation du modèle pour des essais tels que des tests à vide, des courts-circuits triphasés, biphasés et un test en charge.

Authentification biométrique par dynamique de frappe pour évaluation à distance utilisant SVM à une classe

La machine à vecteurs de support à une classe est un algorithme non-supervisé qui est capable d’apprendre une fonction de décision à partir de données d’une seule classe pour la détection d’anomalie. Avec les données d’entraînement d’une seule classe, elle peut identifier si une nouvelle donnée est similaire à l’ensemble d’entraînement. Dans ce mémoire, nous nous intéressons à la reconnaissance de forme de dynamique de frappe par la machine à vecteurs de support à une classe, pour l’authentification d’étudiants dans un système d’évaluation sommative à distance à l’Université Laval. Comme chaque étudiant à l’Université Laval possède un identifiant court, unique qu’il utilise pour tout accès sécurisé aux ressources informatiques, nous avons choisi cette chaîne de caractères comme support à la saisie de dynamique de frappe d’utilisateur pour construire notre propre base de données. Après avoir entraîné un modèle pour chaque étudiant avec ses données de dynamique de frappe, on veut pouvoir l’identifier et éventuellement détecter des imposteurs. Trois méthodes pour la classification ont été testées et discutées. Ainsi, nous avons pu constater les faiblesses de chaque méthode dans ce système. L’évaluation des taux de reconnaissance a permis de mettre en évidence leur dépendance au nombre de signatures ainsi qu’au nombre de caractères utilisés pour construire les signatures. Enfin, nous avons montré qu’il existe des corrélations entre le taux de reconnaissance et la dispersion dans les distributions des caractéristiques des signatures de dynamique de frappe.

Approche basée sur des patrons pour concevoir des logiciels d’enseignement adaptés aux technologies du Web

Les applications Web en général ont connu d’importantes évolutions technologiques au cours des deux dernières décennies et avec elles les habitudes et les attentes de la génération de femmes et d’hommes dite numérique. Paradoxalement à ces bouleversements technologiques et comportementaux, les logiciels d’enseignement et d’apprentissage (LEA) n’ont pas tout à fait suivi la même courbe d’évolution technologique. En effet, leur modèle de conception est demeuré si statique que leur utilité pédagogique est remise en cause par les experts en pédagogie selon lesquels les LEA actuels ne tiennent pas suffisamment compte des aspects théoriques pédagogiques. Mais comment améliorer la prise en compte de ces aspects dans le processus de conception des LEA? Plusieurs approches permettent de concevoir des LEA robustes. Cependant, un intérêt particulier existe pour l’utilisation du concept patron dans ce processus de conception tant par les experts en pédagogie que par les experts en génie logiciel. En effet, ce concept permet de capitaliser l’expérience des experts et permet aussi de simplifier de belle manière le processus de conception et de ce fait son coût. Une comparaison des travaux utilisant des patrons pour concevoir des LEA a montré qu’il n’existe pas de cadre de synergie entre les différents acteurs de l’équipe de conception, les experts en pédagogie d’un côté et les experts en génie logiciel de l’autre. De plus, les cycles de vie proposés dans ces travaux ne sont pas complets, ni rigoureusement décrits afin de permettre de développer des LEA efficients. Enfin, les travaux comparés ne montrent pas comment faire coexister les exigences pédagogiques avec les exigences logicielles. Le concept patron peut-il aider à construire des LEA robustes satisfaisant aux exigences pédagogiques ? Comme solution, cette thèse propose une approche de conception basée sur des patrons pour concevoir des LEA adaptés aux technologies du Web. Plus spécifiquement, l’approche méthodique proposée montre quelles doivent être les étapes séquentielles à prévoir pour concevoir un LEA répondant aux exigences pédagogiques. De plus, un répertoire est présenté et contient 110 patrons recensés et organisés en paquetages. Ces patrons peuvent être facilement retrouvés à l’aide du guide de recherche décrit pour être utilisés dans le processus de conception. L’approche de conception a été validée avec deux exemples d’application, permettant de conclure d’une part que l’approche de conception des LEA est réaliste et d’autre part que les patrons sont bien valides et fonctionnels. L’approche de conception de LEA proposée est originale et se démarque de celles que l’on trouve dans la littérature car elle est entièrement basée sur le concept patron. L’approche permet également de prendre en compte les exigences pédagogiques. Elle est générique car indépendante de toute plateforme logicielle ou matérielle. Toutefois, le processus de traduction des exigences pédagogiques n’est pas encore très intuitif, ni très linéaire. D’autres travaux doivent être réalisés pour compléter les résultats obtenus afin de pouvoir traduire en artéfacts exploitables par les ingénieurs logiciels les exigences pédagogiques les plus complexes et les plus abstraites. Pour la suite de cette thèse, une instanciation des patrons proposés serait intéressante ainsi que la définition d’un métamodèle basé sur des patrons qui pourrait permettre la spécification d’un langage de modélisation typique des LEA. L’ajout de patrons permettant d’ajouter une couche sémantique au niveau des LEA pourrait être envisagée. Cette couche sémantique permettra non seulement d’adapter les scénarios pédagogiques, mais aussi d’automatiser le processus d’adaptation au besoin d’un apprenant en particulier. Il peut être aussi envisagé la transformation des patrons proposés en ontologies pouvant permettre de faciliter l’évaluation des connaissances de l’apprenant, de lui communiquer des informations structurées et utiles pour son apprentissage et correspondant à son besoin d’apprentissage.

Augmentation de l’expression de la chaine α1 de la laminine 111, un potentiel traitement pour la Dystrophie musculaire de Duchenne

La protéine hétérotrimérique laminine-111 permet le lien entre la matrice-extracellulaire et l’intégrine α7β1 du sarcolemme, remplaçant ainsi dans les muscles dystrophiques, des liens normalement assurés par le complexe de la dystrophine. L’injection de laminine-111 dans des souris mdx a permis, entre autre, l’augmentation de l’expression de l’intégrine α7β1, d’empêcher les bris du sarcolemme lors de la contraction musculaire, de restaurer un niveau normal de la créatine kinase sérique, ainsi que d’augmenter la résistance et la force dans les muscles déficients en dystrophine. Ces résultats suggèrent que l’augmentation de la laminine-111 est un potentiel traitement pour la DMD. Les chaines β1 et γ1 de la laminine sont déjà exprimées dans le muscle humain adulte, mais la chaine α1 de la laminine (Lamα1) est exprimée uniquement pendant le stade très précoce 16 cellules de l’embryogenèse. Nous avons donc développé une méthode alternative à l’injection répétée de Laminine-111 en induisant l’expression endogène du gène LAMA1, afin de reformer le complexe trimérique α1β1γ1, la laminine 111. Ceci a été réalisé avec une technologie récente, le système CRISPR/Cas9, dont la Cas9 a été désactivée (dCas9) puis couplée à un domaine d’activation de la transcription, le VP160 (dCas9-VP160). L’utilisation d’un ou plusieurs ARN guides (ARNg) a permis de cibler le promoteur du gène LAMA1. L’ARNm de Lamα1 (qRT-PCR) ainsi que la protéine (immunohistochimie et immunobuvardage) n’ont pas été détecté dans le contrôle négatif, des myoblastes murins (C2C12). Cependant, une expression significative a été observée dans ces myoblastes transfectés avec des plasmides codant pour dCas9-VP160 et un ARNg. L’analyse protéique in vivo, dans des muscles de souris électroporés avec le même plasmide, a démontré une forte augmentation de la chaine α1 de la laminine. Des augmentations plus importantes de l’ARNm de Lamα1 ont été observées en utilisant 2 ARNg, suggérant un effet synergique. L’augmentation de l’expression de Lamα1 par le système de CRISPR/Cas9 devrait être étudiée d’avantage afin de vérifier si cette stratégie pourrait s’avérer efficace dans des cas de myopathies.