Simulation de flammes interactives en temps réel

Vidéos et images des résultats disponible à : http://www.iro.umontreal.ca/labs/infographie/theses/fatnasss/

Fractionation, chemical and toxicological characterization of tobacco smoke components

La fumée du tabac est un aérosol extrêmement complexe constitué de milliers de composés répartis entre la phase particulaire et la phase vapeur. Il a été démontré que les effets toxicologiques de cette fumée sont associés aux composés appartenant aux deux phases. Plusieurs composés biologiquement actifs ont été identifiés dans la fumée du tabac; cependant, il n’y a pas d’études démontrant la relation entre les réponses biologiques obtenues via les tests in vitro ou in vivo et les composés présents dans la fumée entière du tabac. Le but de la présente recherche est de développer des méthodes fiables et robustes de fractionnement de la fumée à l’aide de techniques de séparation analytique et de techniques de détection combinés à des essais in vitro toxicologiques. Une étude antérieure réalisée par nos collaborateurs a démontré que, suite à l’étude des produits de combustion de douze principaux composés du tabac, l’acide chlorogénique s’est avéré être le composé le plus cytotoxique selon les test in vitro du micronoyau. Ainsi, dans cette étude, une méthode par chromatographie préparative en phase liquide a été développée dans le but de fractionner les produits de combustion de l’acide chlorogénique. Les fractions des produits de combustion de l’acide chlorogénique ont ensuite été testées et les composés responsables de la toxicité de l’acide chlorogénique ont été identifiés. Le composé de la sous-fraction responsable en majeure partie de la cytoxicité a été identifié comme étant le catéchol, lequel fut confirmé par chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse à temps de vol. Des études récentes ont démontré les effets toxicologiques de la fumée entière du tabac et l’implication spécifique de la phase vapeur. C’est pourquoi notre travail a ensuite été focalisé principalement à l’analyse de la fumée entière. La machine à fumer Borgwaldt RM20S® utilisée avec les chambres d’exposition cellulaire de British American Tobacco permettent l’étude in vitro de l’exposition de cellules à différentes concentrations de fumée entière du tabac. Les essais biologiques in vitro ont un degré élevé de variabilité, ainsi, il faut prendre en compte toutes les autres sources de variabilité pour évaluer avec précision la finalité toxicologique de ces essais; toutefois, la fiabilité de la génération de la fumée de la machine n’a jamais été évaluée jusqu’à maintenant. Nous avons donc déterminé la fiabilité de la génération et de la dilution (RSD entre 0,7 et 12 %) de la fumée en quantifiant la présence de deux gaz de référence (le CH4 par détection à ionisation de flamme et le CO par absorption infrarouge) et d’un composé de la phase particulaire, le solanesol (par chromatographie en phase liquide à haute performance). Ensuite, la relation entre la dose et la dilution des composés de la phase vapeur retrouvée dans la chambre d’exposition cellulaire a été caractérisée en utilisant une nouvelle technique d’extraction dite par HSSE (Headspace Stir Bar Sorptive Extraction) couplée à la chromatographie en phase liquide/ spectrométrie de masse. La répétabilité de la méthode a donné une valeur de RSD se situant entre 10 et 13 % pour cinq des composés de référence identifiés dans la phase vapeur de la fumée de cigarette. La réponse offrant la surface maximale d’aire sous la courbe a été obtenue en utilisant les conditions expérimentales suivantes : intervalle de temps d’exposition/ désorption de 10 0.5 min, température de désorption de 200°C pour 2 min et température de concentration cryogénique (cryofocussing) de -75°C. La précision de la dilution de la fumée est linéaire et est fonction de l’abondance des analytes ainsi que de la concentration (RSD de 6,2 à 17,2 %) avec des quantités de 6 à 450 ng pour les composés de référence. Ces résultats démontrent que la machine à fumer Borgwaldt RM20S® est un outil fiable pour générer et acheminer de façon répétitive et linéaire la fumée de cigarette aux cultures cellulaires in vitro. Notre approche consiste en l’élaboration d’une méthodologie permettant de travailler avec un composé unique du tabac, pouvant être appliqué à des échantillons plus complexes par la suite ; ex : la phase vapeur de la fumée de cigarette. La méthodologie ainsi développée peut potentiellement servir de méthode de standardisation pour l’évaluation d’instruments ou de l’identification de produits dans l’industrie de tabac.

Modèles de flammelette en combustion turbulente avec extinction et réallumage : étude asymptotique et numérique, estimation d’erreur a posteriori et modélisation adaptative

On s’intéresse ici aux erreurs de modélisation liées à l’usage de modèles de flammelette sous-maille en combustion turbulente non prémélangée. Le but de cette thèse est de développer une stratégie d’estimation d’erreur a posteriori pour déterminer le meilleur modèle parmi une hiérarchie, à un coût numérique similaire à l’utilisation de ces mêmes modèles. Dans un premier temps, une stratégie faisant appel à un estimateur basé sur les résidus pondérés est développée et testée sur un système d’équations d’advection-diffusion-réaction. Dans un deuxième temps, on teste la méthodologie d’estimation d’erreur sur un autre système d’équations, où des effets d’extinction et de réallumage sont ajoutés. Lorsqu’il n’y a pas d’advection, une analyse asymptotique rigoureuse montre l’existence de plusieurs régimes de combustion déjà observés dans les simulations numériques. Nous obtenons une approximation des paramètres de réallumage et d’extinction avec la courbe en «S», un graphe de la température maximale de la flamme en fonction du nombre de Damköhler, composée de trois branches et d’une double courbure. En ajoutant des effets advectifs, on obtient également une courbe en «S» correspondant aux régimes de combustion déjà identifiés. Nous comparons les erreurs de modélisation liées aux approximations asymptotiques dans les deux régimes stables et établissons une nouvelle hiérarchie des modèles en fonction du régime de combustion. Ces erreurs sont comparées aux estimations données par la stratégie d’estimation d’erreur. Si un seul régime stable de combustion existe, l’estimateur d’erreur l’identifie correctement ; si plus d’un régime est possible, on obtient une fac˛on systématique de choisir un régime. Pour les régimes où plus d’un modèle est approprié, la hiérarchie prédite par l’estimateur est correcte.

Modélisation asymptotique pour la simulation aux grandes échelles de la combustion turbulente prémélangée

Thèse diffusée initialement dans le cadre d'un projet pilote des Presses de l'Université de Montréal/Centre d'édition numérique UdeM (1997-2008) avec l'autorisation de l'auteur.

Studies on the Flammability of Short Kevlar Fiber-Thermoplastic Polyurethane Composite

The flammability of short Kevlar aramide fiber-thermoplastic polyurethane (TPU) has been investigated with respect to fiber loading and various flame retardant additives such as halogen containing polymers, antimony oxide/chlorine donor combination, zinc borate, and aluminum hydroxide. Smoke generation was reduced drastically, while the oxygen index was reduced marginally in the presence of short fibers. The best improvement in the oxygen index was obtained with antimony oxide/chlorinated paraffin wax combination, in the weight ratio 1:6. A 70 phr loading of aluminum hydroxide improved LOI and reduced smoke generation.

OFFLINE AND ONLINE SOLID PHASE EXTRACTION/PRECONCENTRATION OF INORGANICS

Solid phase extraction (SPE) is a powerful technique for preconcentration/removal or separation of trace and ultra trace amounts of toxic and nutrient elements. SPE effectively simplifies the labour intensive sample preparation, increase its reliability and eliminate the clean up step by using more selective extraction procedures. The synthesis of sorbents with a simplified procedure and diminution of the risks of errors shows the interest in the areas of environmental monitoring, geochemical exploration, food, agricultural, pharmaceutical, biochemical industry and high purity metal designing, etc. There is no universal SPE method because the sample pretreatment depends strongly on the analytical demand. But there is always an increasing demand for more sensitive, selective, rapid and reliable analytical procedures. Among the various materials, chelate modified naphthalene, activated carbon and chelate functionalized highly cross linked polymers are most important. In the biological and environmental field, large numbers of samples are to be analysed within a short span of time. Hence, online flow injection methods are preferred as they allow extraction, separation, identification and quantification of many numbers of analytes. The flow injection online preconcentration flame AAS procedure developed allows the determination of as low as 0.1 µg/l of nickel in soil and cobalt in human hair samples. The developed procedure is precise and rapid and allows the analysis of 30 samples per hour with a loading time of 60 s. The online FI manifold used in the present study permits high sampling, loading rates and thus resulting in higher preconcentration/enrichment factors of -725 and 600 for cobalt and nickel respectively with a 1 min preconcentration time compared to conventional FAAS signal. These enrichment factors are far superior to hitherto developed on line preconcentration procedures for inorganics. The instrumentation adopted in the present study allows much simpler equipment and low maintenance costs compared to costlier ICP-AES or ICP-MS instruments.

A Comparative Study Of Tensile And Microstructural Characteristics Of Friction Welded Joints And Conventionally Welded Joints Of Aluminium Alloy 6061

Welding of high strength and low weight materials like Aluminium Alloys without any defects by conventional welding techniques is a major challenge in industries. Hence research on solid state welding techniques like Friction stir welding and Friction welding techniques have got much importance in joining of Aluminium alloys. However most of the industries are not changing conventional techniques as skilled workers are available on that area. Most common conventional welding techniques used for joining of Aluminium alloys are Gas welding and Arc welding. Friction welding is a solid-state welding process that generates heat through mechanical friction between a moving and a stationary component with the addition of a lateral force called “upset” to plast ically displace and fuse the materials. In this work, experimental study on tensile and micro structural characteristics of welded joints formed from conventional welding techniques and Rotary friction welding(suitable for weld specimens with circular cross section) has been carried out and the same were compared. The process parameters for arc welding used was 50-70 Amp reverse polarity DC and electrodes of 2.3mm diameter. In Gas welding, the parameters were oxy acetylene neural flame at 3200°C and 3mm electrodes . In the case of friction welding an axial pressure loading of 3Mpa with 5 MPa as upsetting pressure and 500 rpm were used to obtain good welded joints. Tensile characteristic studies of Arc welded joints and Gas welded joints showed 48% and 60 % variations respectively from the maximum load bearing characteristics of parent metal. In the case of friction welded joint, the variation was found to 46%. Micro structural evaluation of conventionally welded joints exhibited clear distinct zones of various weld regions. In the case of friction welded joint micro structural photographs showed comparable features both in parent metal and welded region. Thus the tensile characteristic study and microstructure evaluations proved that friction welded joints are good in both aspects compared to conventionally welded joints.

Estudio de la aplicación de sistemas basados en el conocimiento a la operación de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética

Una de las actuaciones posibles para la gestión de los residuos sólidos urbanos es la valorización energética, es decir la incineración con recuperación de energía. Sin embargo es muy importante controlar adecuadamente el proceso de incineración para evitar en lo posible la liberación de sustancias contaminantes a la atmósfera que puedan ocasionar problemas de contaminación industrial.Conseguir que tanto el proceso de incineración como el tratamiento de los gases se realice en condiciones óptimas presupone tener un buen conocimiento de las dependencias entre las variables de proceso. Se precisan métodos adecuados de medida de las variables más importantes y tratar los valores medidos con modelos adecuados para transformarlos en magnitudes de mando. Un modelo clásico para el control parece poco prometedor en este caso debido a la complejidad de los procesos, la falta de descripción cuantitativa y la necesidad de hacer los cálculos en tiempo real. Esto sólo se puede conseguir con la ayuda de las modernas técnicas de proceso de datos y métodos informáticos, tales como el empleo de técnicas de simulación, modelos matemáticos, sistemas basados en el conocimiento e interfases inteligentes. En [Ono, 1989] se describe un sistema de control basado en la lógica difusa aplicado al campo de la incineración de residuos urbanos. En el centro de investigación FZK de Karslruhe se están desarrollando aplicaciones que combinan la lógica difusa con las redes neuronales [Jaeschke, Keller, 1994] para el control de la planta piloto de incineración de residuos TAMARA. En esta tesis se plantea la aplicación de un método de adquisición de conocimiento para el control de sistemas complejos inspirado en el comportamiento humano. Cuando nos encontramos ante una situación desconocida al principio no sabemos como actuar, salvo por la extrapolación de experiencias anteriores que puedan ser útiles. Aplicando procedimientos de prueba y error, refuerzo de hipótesis, etc., vamos adquiriendo y refinando el conocimiento, y elaborando un modelo mental. Podemos diseñar un método análogo, que pueda ser implementado en un sistema informático, mediante el empleo de técnicas de Inteligencia Artificial.Así, en un proceso complejo muchas veces disponemos de un conjunto de datos del proceso que a priori no nos dan información suficientemente estructurada para que nos sea útil. Para la adquisición de conocimiento pasamos por una serie de etapas: - Hacemos una primera selección de cuales son las variables que nos interesa conocer. - Estado del sistema. En primer lugar podemos empezar por aplicar técnicas de clasificación (aprendizaje no supervisado) para agrupar los datos y obtener una representación del estado de la planta. Es posible establecer una clasificación, pero normalmente casi todos los datos están en una sola clase, que corresponde a la operación normal. Hecho esto y para refinar el conocimiento utilizamos métodos estadísticos clásicos para buscar correlaciones entre variables (análisis de componentes principales) y así poder simplificar y reducir la lista de variables. - Análisis de las señales. Para analizar y clasificar las señales (por ejemplo la temperatura del horno) es posible utilizar métodos capaces de describir mejor el comportamiento no lineal del sistema, como las redes neuronales. Otro paso más consiste en establecer relaciones causales entre las variables. Para ello nos sirven de ayuda los modelos analíticos - Como resultado final del proceso se pasa al diseño del sistema basado en el conocimiento. El objetivo principal es aplicar el método al caso concreto del control de una planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos por valorización energética. En primer lugar, en el capítulo 2 Los residuos sólidos urbanos, se trata el problema global de la gestión de los residuos, dando una visión general de las diferentes alternativas existentes, y de la situación nacional e internacional en la actualidad. Se analiza con mayor detalle la problemática de la incineración de los residuos, poniendo especial interés en aquellas características de los residuos que tienen mayor importancia de cara al proceso de combustión.En el capítulo 3, Descripción del proceso, se hace una descripción general del proceso de incineración y de los distintos elementos de una planta incineradora: desde la recepción y almacenamiento de los residuos, pasando por los distintos tipos de hornos y las exigencias de los códigos de buena práctica de combustión, el sistema de aire de combustión y el sistema de humos. Se presentan también los distintos sistemas de depuración de los gases de combustión, y finalmente el sistema de evacuación de cenizas y escorias.El capítulo 4, La planta de tratamiento de residuos sólidos urbanos de Girona, describe los principales sistemas de la planta incineradora de Girona: la alimentación de residuos, el tipo de horno, el sistema de recuperación de energía, y el sistema de depuración de los gases de combustión Se describe también el sistema de control, la operación, los datos de funcionamiento de la planta, la instrumentación y las variables que son de interés para el control del proceso de combustión.En el capítulo 5, Técnicas utilizadas, se proporciona una visión global de los sistemas basados en el conocimiento y de los sistemas expertos. Se explican las diferentes técnicas utilizadas: redes neuronales, sistemas de clasificación, modelos cualitativos, y sistemas expertos, ilustradas con algunos ejemplos de aplicación.Con respecto a los sistemas basados en el conocimiento se analizan en primer lugar las condiciones para su aplicabilidad, y las formas de representación del conocimiento. A continuación se describen las distintas formas de razonamiento: redes neuronales, sistemas expertos y lógica difusa, y se realiza una comparación entre ellas. Se presenta una aplicación de las redes neuronales al análisis de series temporales de temperatura.Se trata también la problemática del análisis de los datos de operación mediante técnicas estadísticas y el empleo de técnicas de clasificación. Otro apartado está dedicado a los distintos tipos de modelos, incluyendo una discusión de los modelos cualitativos.Se describe el sistema de diseño asistido por ordenador para el diseño de sistemas de supervisión CASSD que se utiliza en esta tesis, y las herramientas de análisis para obtener información cualitativa del comportamiento del proceso: Abstractores y ALCMEN. Se incluye un ejemplo de aplicación de estas técnicas para hallar las relaciones entre la temperatura y las acciones del operador. Finalmente se analizan las principales características de los sistemas expertos en general, y del sistema experto CEES 2.0 que también forma parte del sistema CASSD que se ha utilizado.El capítulo 6, Resultados, muestra los resultados obtenidos mediante la aplicación de las diferentes técnicas, redes neuronales, clasificación, el desarrollo de la modelización del proceso de combustión, y la generación de reglas. Dentro del apartado de análisis de datos se emplea una red neuronal para la clasificación de una señal de temperatura. También se describe la utilización del método LINNEO+ para la clasificación de los estados de operación de la planta.En el apartado dedicado a la modelización se desarrolla un modelo de combustión que sirve de base para analizar el comportamiento del horno en régimen estacionario y dinámico. Se define un parámetro, la superficie de llama, relacionado con la extensión del fuego en la parrilla. Mediante un modelo linealizado se analiza la respuesta dinámica del proceso de incineración. Luego se pasa a la definición de relaciones cualitativas entre las variables que se utilizan en la elaboración de un modelo cualitativo. A continuación se desarrolla un nuevo modelo cualitativo, tomando como base el modelo dinámico analítico.Finalmente se aborda el desarrollo de la base de conocimiento del sistema experto, mediante la generación de reglas En el capítulo 7, Sistema de control de una planta incineradora, se analizan los objetivos de un sistema de control de una planta incineradora, su diseño e implementación. Se describen los objetivos básicos del sistema de control de la combustión, su configuración y la implementación en Matlab/Simulink utilizando las distintas herramientas que se han desarrollado en el capítulo anterior.Por último para mostrar como pueden aplicarse los distintos métodos desarrollados en esta tesis se construye un sistema experto para mantener constante la temperatura del horno actuando sobre la alimentación de residuos.Finalmente en el capítulo Conclusiones, se presentan las conclusiones y resultados de esta tesis.

Wind-tunnel modelling of dispersion from a scalar area source in urban-like roughness

A wind-tunnel study was conducted to investigate ventilation of scalars from urban-like geometries at neighbourhood scale by exploring two different geometries a uniform height roughness and a non-uniform height roughness, both with an equal plan and frontal density of λ p = λ f = 25%. In both configurations a sub-unit of the idealized urban surface was coated with a thin layer of naphthalene to represent area sources. The naphthalene sublimation method was used to measure directly total area-averaged transport of scalars out of the complex geometries. At the same time, naphthalene vapour concentrations controlled by the turbulent fluxes were detected using a fast Flame Ionisation Detection (FID) technique. This paper describes the novel use of a naphthalene coated surface as an area source in dispersion studies. Particular emphasis was also given to testing whether the concentration measurements were independent of Reynolds number. For low wind speeds, transfer from the naphthalene surface is determined by a combination of forced and natural convection. Compared with a propane point source release, a 25% higher free stream velocity was needed for the naphthalene area source to yield Reynolds-number-independent concentration fields. Ventilation transfer coefficients w T /U derived from the naphthalene sublimation method showed that, whilst there was enhanced vertical momentum exchange due to obstacle height variability, advection was reduced and dispersion from the source area was not enhanced. Thus, the height variability of a canopy is an important parameter when generalising urban dispersion. Fine resolution concentration measurements in the canopy showed the effect of height variability on dispersion at street scale. Rapid vertical transport in the wake of individual high-rise obstacles was found to generate elevated point-like sources. A Gaussian plume model was used to analyse differences in the downstream plumes. Intensified lateral and vertical plume spread and plume dilution with height was found for the non-uniform height roughness

Quantitative analysis of remote gas temperatures and concentrations from their infrared emission spectra

Techniques for obtaining quantitative values of the temperatures and concentrations of remote hot gaseous effluents from their measured passive emission spectra have been examined in laboratory experiments and on field trials. These emission spectra were obtained using an adapted FTIR spectrometer with 0.25 cm-1 spectral resolution. The CO2 and H2O vapour content in the plume from a 55 m smoke stack and the temperature of these gases were obtained by comparing the measured emission spectra with those modelled using the HITRAN atmospheric transmission database. The spatial distributions of CO2, CO and unburnt CH4 in a laboratory methane flame were reconstructed tomographically using a matrix inversion technique.

Remote gas detection and quantitative analysis from infrared emission spectra obtained by Fourier transform infrared spectroscopy

Techniques for obtaining quantitative values of the temperatures and concentrations of remote hot gaseous effluents from their measured passive emission spectra have been examined in laboratory experiments. The high sensitivity of the spectrometer in the vicinity of the 2397 cm-1 band head region of CO2 has allowed the gas temperature to be calculated from the relative intensity of the observed rotational lines. The spatial distribution of the CO2 in a methane flame has been reconstructed tomographically using a matrix inversion technique. The spectrometer has been calibrated against a black body source at different temperatures and a self absorption correction has been applied to the data avoiding the need to measure the transmission directly. Reconstruction artifacts have been reduced by applying a smoothing routine to the inversion matrix.

Multifunctional acid formation from the gas-phase ozonolysis of beta-pinene

The gas-phase ozonolysis of beta-pinene was studied in static chamber experiments, using gas chromatography coupled to mass spectrometric and flame ionisation detection to separate and detect products. A range of multifunctional organic acids-including pinic acid, norpinic acid, pinalic-3- acid, pinalic-4-acid, norpinalic acid and OH-pinalic acid-were identified in the condensed phase after derivatisation. Formation yields for these products under systematically varying reaction conditions (by adding different OH radical scavengers and Criegee intermediate scavengers) were investigated and compared with those observed from alpha-pinene ozonolysis, allowing detailed information on product formation mechanisms to be elucidated. In addition, branching ratios for the initial steps of the reaction were inferred from quantitative measurements of primary carbonyl formation. Atmospheric implications of this work are discussed.

Formation of organic acids from the gas-phase ozonolysis of terpinolene

Gas-phase ozonolysis of terpinolene was studied in static chamber experiments using gas chromatography coupled to mass spectrometric and flame ionisation detection to separate and detect products. Two isomers of C-7-diacids and three isomers of C-7-aldehydic acids were identified in the condensed phase after derivatisation. Possible mechanisms of formation of these acids were investigated using different OH radical scavengers and relative humidities, and were compared to those reported earlier for the ozonolysis of beta-pinene. In addition, branching ratios for some of the individual reaction steps, e. g. the branching ratio between the two hydroperoxide channels of the C-7-CI, were deduced from the quantitative product yield data. Branching ratios for POZ decomposition and the stabilisation/decomposition of the C-7-CI were also obtained from measurements of the C-7 primary carbonyl product.

Volatile oxidation compounds in a conjugated linoleic acid-rich oil

In this Study, volatile oxidation compounds formed in a commercial conjugated linoleic acid (CLA)-rich oil were quantified and results compared to those found in safflower oil (rich in linoleic acid, LA). Intact oil samples and pure triacylglycerols obtained following elimination of tocopherols and minor compounds were oxidised at 60 degrees C, and volatile oxidation compounds were analysed by solid phase microextraction-gas chromatography with flame ionisation detector and mass spectrometer. Results showed that while, as expected, hexanal was the major volatile oxidation compound found in oil and triacylglycerols rich in LA, both hexanal and heptanal equally were the most abundant compounds in oil and triacylglycerols rich in CLA. Besides, samples rich in CLA also showed significantly high quantities of trans-2-octenal and trans-2-nonenal and the latter, along with heptanal, were absent in samples rich in LA. Results for CLA samples were not easy to interpret since major volatiles found are not expected from theoretically stable hydroperoxides formed in CLA and could in part derive from dioxetanes coming from 1,2-cycloadclitions of CIA with oxygen. Overall, results obtained support evidence that oxidation mechanisms of CLA may differ than those of LA. Also, it was concluded that heptanal determination could serve as a useful marker of oxidation progress in CLA-rich oils. (C) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.