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<p> The Dundas Valley is a deep bedrock valley underlying the Hamilton-Wentworth region of southern Ontario that has been infilled with up to 180m of Quaternary sediment. These sediments contain a valuable record of past environmental change, as well as control groundwater and contaminant migration pathways throughout the region. Unfortunately, the nature, origin and spatial distribution of sedimentary units comprising the infill are poorly understood. This thesis demonstrates the use of 3-D modeling of subsurface geological data obtained from water well and borehole records, engineering and construction reports to delineate the form and geometry of the sedimentary infill of the Dundas Valley. ROCKWORKS 2002 is used to analyze and model over 2000 data points and create a variety of 3-D images used as an aid to the interpretation of the late Quaternary geological history of the study area. </p> <p> Sediments identified within the valley include fine-grained diamicts, clays, silty clays, sands, gravels and silty sands. These sediment types are grouped into five stratigraphic units that record changing environmental conditions during the late Quaternary. Unit 1 represents the eroded Paleozoic bedrock surface and is overlain by a patchy veneer of sandy gravel (Unit 2), probably deposited under fluvial or shallow lacustrine conditions. Fine-grained deposits of Unit 3 record glacially-influenced lacustrine deposition in the Dundas Valley, possibly during a subsequent episode of ice advance. Unit 4 consists of coarse-grained nearshore deposits associated with the development of post-glacial Lake Iroquois and uppermost silts and sands of Unit 5 record the development of protected lagoonal conditions at the western end of the Ontario basin. </p> <p> The 3-D images of the Dundas Valley infill are also used to identify and delineate the geometry of aquifers and aquitards and to help predict potential directions of groundwater flow and potential contaminant movement. </p> / Thesis / Master of Science (MSc)

Details are given herein of the development, refinement and application of a higher-order accurate 3-D finite difference model for non-cohesive suspended sediment transport processes, in non-stratified estuarine and coastal waters. The velocity fields are computed using a 2-D horizontal depth-integrated model, in combination with either an assumed logarithmic velocity profile or a velocity profile obtained from field data. Also, for convenience in handling variable bed topographies and for better vertical resolution, a δ-stretching co-ordinate system has been used. In order to gain insight into the relative merits of various numerical schemes for modelling the convection of high concentration gradients, in terms of both accuracy and efficiency, thirty six existing finite difference schemes and two splitting techniques have been reviewed and compared by applying them to the following cases: i) 1-D and 2-D pure convection, ii) 1-D and 2-D convection and diffusion, and iii) 1-D non-linear Burger's equation. Modifications to some of the considered schemes have also been proposed, together with two new higher-order accurate finite difference schemes for modelling the convection of high concentration gradients. The schemes were derived using a piecewise cubic interpolation and an universal limiter (proposed scheme 1) or a modified form of the TVD filter (proposed scheme 2). The schemes have been tested for: i) 1-D and 2-D pure convection, and ii) 2-D convection and diffusion problems. The schemes have produced accurate, oscillation-free and non-clipped solutions, comparable with the ULTIMATE fifth- and sixth-order schemes. However, the proposed schemes need only three (proposed scheme 1) or five cell stencils. Hence, they are very attractive and can be easily implemented to solve convection dominated problems for complex bathymetries with flooding and drying. The 3-D sediment transport equation was solved using a splitting technique, with two different techniques being considered. With this technique the 3-D convective-diffusion equation for suspended sediment fluxes was split into consecutive 1-D convection, diffusion and convective-diffusion equations. The modified and proposed higher-order accurate finite difference schemes mentioned above were then used to solve the consecutive 1-D equations. The model has been calibrated and verified by applying it to predict the development of suspended sediment concentration profiles under non-equilibrium conditions in three test flumes. The results of numerical predictions were compared with existing analytical solutions and experimental data. The numerical results were in excellent agreement with the analytical solutions and were in reasonable agreement with the experimental data. Finally, the model has also been applied to predict sediment concentration and velocity profiles in the Humber Estuary, UK. Reasonable agreement was obtained between the model predictions and the corresponding field measurements, particularly when considered in the light of usual sediment transport predictions. The model is therefore thought to be a potentially useful tool for hydraulic engineers involved in practical case studies

Les dépôts gravitaires carbonatés peuvent former d'importants volumes à la transition plate-forme/bassin; notamment en domaine tropical où les biotopes néritiques carbonatés sont de prolifiques usines à sédiments pouvant être redéposés dans le milieu marin profond adjacent. Ce travail porte sur les dépôts gravitaires carbonatés d'âge Crétacé de la Péninsule du Gargano (SE Italie). Une cartographie géologique détaillée et la modélisation numérique 3D (supportées par un MNT obtenu par LIDAR héliporté) ont été couplées à des analyses sédimentologiques et biostratigraphiques afin de caractériser l'évolution spatiale et temporelle de systèmes de dépôts gravitaires distincts. Les surfaces stratigraphiques 3D ont été restaurées afin d'évaluer l'impact de la paléo-topographie sur la distribution spatiale et la géométrie des corps. La corrélation avec les séries de plate-forme de même âge a permis d'établir les relations entre nature des resédimentations (sables vs. brèches) et le niveau marin. Les données qualitatives et quantitatives d'affleurements ont permis de générer des modèles numériques 3D de lithofacies à partir de méthodes de simulations stochastiques. Enfin, des mesures des paramètres physiques des roches ont été couplées à des analyses pétrographiques afin de d'évaluer l'impact de la fabrique sédimentaire et des types poreux sur les propriétés acoustiques et réservoirs de ces carbonates. Cette approche multidisciplinaire démontre l'importance du couplage de méthodes d'analyses de terrain dites «traditionelles» avec des donnés numériques et la modélisation 3D afin d'améliorer la caractérisation et les modèles des systèmes et réservoirs sédimentaires. / Carbonate gravity flow deposits can form significant volumes at the platform-to-basin transition; especially because tropical shallow-water carbonate environments are major sediment factories, the products of which, early lithified or not, are likely to be redeposited in the adjacent deep marine domain. This work has focused on the Cretaceous resedimented carbonates of the Gargano Peninsula (SE Italy). Extensive geological mapping and 3-D numerical modelling (supported by a LIDAR DEM) were associated to sedimentologic and biostratigraphic analyses to assess the spatial and temporal evolution of distinct deep-water depositional systems. Key 3-D stratigraphic surfaces were restored to investigate the impact of the paleo-topography on the geometry and spatial distribution of the gravity flow deposits. Correlation with the coeval shallow-water platform series has served to assess the relationships between the nature of the resedimented carbonates (i.e. bioclastic sands versus breccias) and sea level. Qualitative and quantitative outcrop data were transferred into 3-D numerical models of lithofacies that were generated at seismic scale with stochastic simulation methods. Finally, petrophysical measurements were coupled with quantitative petrographic analyses to assess the impact of sedimentary fabrics and pore types on acoustic and reservoir properties of carbonate gravity flow deposits. This multidisciplinary approach demonstrates that coupling traditional field work analyses with outcrop numerical data (e.g. LIDAR-derived) and 3-D geological modelling is a relevant method for improving outcrop characterization and conceptual models of sedimentary systems and reservoirs.

Chloride-induced corrosion of reinforcing steel in concrete is a worldwide problem. In order to predict how chlorides penetrate in concrete and how other ionic species in con-crete pore solution affect the penetration of chlorides, this thesis presents a numerical study on multi-phase modelling of ionic transport in concrete dominated by migration process. There are many advantages in rapid chloride migration test (RCM) method and numeri-cal approach. However, most of models in the literature predicting chloride diffusivity in concrete are diffusion models, which not consider the action of externally applied electric field. In view of this, the specific aim of this thesis is to develop a rational nu-merical migration model to simulate chloride migration tests. By using this model, the diffusion coefficient of chlorides in concrete will be efficiently predicted. Furthermore, other mechanisms of ionic transportation in composite materials can be scientifically in-vestigated in the meantime. In most existing work, researchers tend to use the assumption of electro-neutrality con-dition, which ensures that no external charge can be imported (Bockris and Reddy, 1998), to determine the electrostatic potential within concrete as well as considering a 1-D problem with only one phase structure and single species (i.e. the chlorides) for pre-dicting the ionic migration. In contrast, this thesis presents a number of sets of multi-phase migration models in more than one dimension and uses the Poisson’s equation for controlling the multi-species interactions. By solving both mass conservation and Pois-son’s equations, the distribution profiles of each ionic species and electrostatic potential at any required time are successfully obtained. Some significant factors, i.e. the influ-ence of dimensions, aggregates, interfacial transition zones (ITZs), cracks and binding effect have also been discussed in detail. The results reveal a series of important features which may not be seen from existing numerical models. For quantitative study, this thesis also provides the prediction method of chloride diffu-sivity not only by the traditional stationary diffusion models but also by the migration models presented in the thesis. The obtained results are compared with three proven analytical models, i.e., Maxwell’s model (Dormieux and Lemarchand, 2000), Brug-geman’s equation (Bruggeman’s, 1935) and the lower bound of the effective diffusion coefficient proposed by Li et al. (2012) as well as validated against experimental data sets of an accelerated chloride migration test (ACMT) brought by Yang and Su (2002).

En raison de leurs multiples avantages, les systèmes mécatroniques sont largement utilisés dans la réhabilitation physique de diverses pathologies, en particulier de l'articulation du genou. Bien que la littérature fasse état d'une variété de ce type de systèmes, nous pouvons dire qu’ils ont encore de nombreux problèmes techniques et faiblesses et qu’il n'existe actuellement aucun dispositif en mesure de satisfaire pleinement les besoins de rétablissement des patients. Dans ce contexte, l'objectif général de cette thèse a été axé sur la recherche, la conception et la mise en œuvre d'une remise en état d'origine mécatronique de l'articulation du genou. Le système développé est destiné à tous les groupes sociaux et constitue une alternative moderne à la réadaptation médicale traditionnelle. Le système de réadaptation mécatronique a été mis en œuvre comme une solution originale, intégrée, efficiente et efficace, et offre des solutions techniques pour tous les problèmes signalés concernant les systèmes mécatroniques actuelles de la récupération médicale. L'originalité de ce système est mis en évidence par les fonctionnalités clés suivantes: la conception, les applications, le traitement personnalisé pour chaque patient, les méthodes de commandement et de contrôle, les protocoles de communication avec rétroaction du patient, les exigences de sécurité par rapport à l’interaction du patient avec le système mécatronique, la simplicité et la portabilité. Les résultats expérimentaux obtenus au cours des essais réalisés sur des sujets sains et des patients montrent: les meilleurs résultats sont obtenus en ce qui concerne le mouvement, la récupération articulaire, la qualité de la sécurité et la thérapie du patient ; le système offre le traitement le plus efficace pour la récupération de l'articulation du genou et il est en mesure d'assurer , en outre, la rééducation fonctionnelle des autres articulations du membre inférieur (la hanche et la cheville), applicable à une technique de reprise en boucle fermée: diagnostic - traitement - rétroaction du patient; le système permet un enregistrement en temps réel du progrès de la récupération du patient et aussi un base de données qui stocke l'évolution du patient; aussi, le système conçu peut successivement récupérer les deux jambes ; le système mécatronique évalue le rétablissement du patient en tenant compte des changements de positions angulaires et des forces normales et tangentielles développées au cours de l'interaction entre le pied humain et un système de récupération ; les valeurs obtenues des forces normales et tangentielles peuvent mettre en évidence la gravité de la maladie et le progrès de la réadaptation ; de même, ces valeurs peuvent être utilisées pour calculer le moment total développée dans l'articulation du genou mais aussi fournir des informations précieuses sur l'instabilité du genou ; le système mécatronique réduit le rétablissement médical du patient et accélère considérablement sa guérison. / Mechatronic systems are widely used in physical rehabilitation of various pathologies, especially of the knee joint, because of their multiple benefits. Although the literature notes a variety of such kind of systems, we can say that, they still have many technical problems and deficiencies and currently there is no device which is able to fully satisfy the need of patient recovery. In this context, the general objective of this thesis was focused on researching, designing and implementing an original mechatronic rehabilitation of the knee joint. The developed system is intended for all social groups and is a modern alternative to traditional medical rehabilitation. The rehabilitation mechatronic system was implemented as an original solution, integrated, efficient and effective, and offers some technical solutions for all the reported problems of the currently medical recovery mechatronic systems. The system’s originality is highlighted by the following key features: design; applications; personalized treatment to each patient; methods of command and control; communication protocols with feedback from the patient; safety requirements for the patient interaction with the mechatronic system, simplicity and portability. The experimental results achieved during the tests on healthy subjects and patients show: best results are obtained concerning the movement, joint recovery, quality of therapy and patient safety; the system provides the most effective treatment for the knee joint recovery and it is able to ensure, in addition, the functional rehabilitation of the other joints of the lower limb (hip and ankle); applies a closed loop technique recovery: diagnosis - treatment - feedback from the patient; allows a real time recuperative progress recording of the patient and also a database that stores the patient’s evolution; can successively recover the both legs; the mechatronic system evaluates the patient's recovery based on joint angular positions changes and the normal and tangential forces developed during the interaction between the human foot and recovery system; the obtained values of the normal and tangential forces can highlight the disease’s gravity and the rehabilitation progress; the values of normal and tangential forces can be used to calculate the total moment developed in the knee joint, but can also provide valuable information about knee instability; the mechatronic system reduces the patient's medical recovery and accelerates considerably its healing.

La modélisation à l’aide de l’approche RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) a été menée en trois dimensions, en considérant les régimes permanent et non permanent, dans le but de simuler les écoulements au niveau des jonctions, bifurcations et déversoirs d’orage. A travers ces trois exemples d’étude, plusieurs stratégies de modélisation (différentes combinaison lois de paroi/modèles de turbulence, différents algorithmes de couplage pression/vitesse, différents schémas de discrétisation spatiale, différentes conditions aux limites, différents types et tailles de maille, etc.) ont été testées et évaluées à l’aide de plusieurs indicateurs de performance (de type RMS –Root Mean Square) en s’appuyant sur les données de vitesses (vitesses moyennes in situ et champs de vitesses obtenus par PIV en laboratoire), hauteurs d’eau, débits (répartition de débits en bifurcation en laboratoire ou débits déversés in situ). Les résultats obtenus sont transposables aux autres cas de singularités et ouvrages spéciaux rencontrés en réseau d’assainissement et montrent que : i) les résultats des simulations 3D sont sensibles à la rugosité, aux conditions limites de hauteur et de vitesse ; ii) dans les trois cas d’étude, les schémas de discrétisation du second ordre et l’algorithme de couplage pression/vitesse PISO sont appropriés ; ii) la loi de paroi scalable couplée aux modèles de turbulence de type k-ε pour le cas des jonctions (avec un débit latéral inférieur ou égal au débit principal) ou des déversoirs semblent convenir, tandis que le modèle de turbulence RSM associé à la loi de paroi enhanced ou scalable permet de mieux représenter les écoulements à travers les bifurcations ou au niveau des jonctions lorsque le débit latéral est dominant. Sur la base de ces résultats, une méthodologie de modélisation plus générale définie en six étapes et fondée sur le guide proposée par Jakeman et al. (2006) a été mise au point. La méthodologie ainsi définie a été utilisée pour i) améliorer l’instrumentation du déversoir OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) situé à Ecully, à partir de la simulation de sa courbe de fonctionnement et en fournissant les incertitudes sur les débits déversés obtenus ; ii) simuler l’implémentation des capteurs débitmétriques à l’aval d’une jonction. Elle a permis de concevoir et de dimensionner un nouveau dispositif de maîtrise des flux d’eau et de polluants déversés (technologie DSM – dispositif de surveillance et de maîtrise des flux déversés au milieu naturel). Ce dispositif a fait l’objet d’un dépôt de brevet international. Enfin, la mise en œuvre de cette méthodologie a été à l’origine de la découverte d’une nouvelle structure d’écoulement dans la branche latérale d’une bifurcation à 90°. L’analyse des résultats des simulations des écoulements mettant en évidence cette nouvelle structure a montré qu’il était possible de prédire l’apparition de cette dernière à partir du rapport d’aspect et du nombre de Froude. / The understanding of sewer flows behaviour is a key component for better urban drainage monitoring and management. However, these flows are conveyed across singularities (such as bends, drops, deviations, etc.) and special structures (combined sewer overflows –CSOs–, channels junction, dividing flow structures, etc.). These singularities and specific structures exhibit complex geometries, leading to open channel turbulent, three-dimensional and multiphase (pollutants and storm and sewer waters) flows. Using three-dimensional CFD (Computational Fluid Dynamics) platform allows a better understanding of mechanisms of contaminants transport through these structures and singularities, leading to a better sewer monitoring. In this thesis, 3D-RANS (Reynolds Averaged Navier Stokes) modelling approach under steady-state conditions is used in order to study flows within CSOs, junctions and bifurcations. Through these three structures, several modelling strategies (wall law/turbulence model combination, velocity/pressure coupling algorithm, spatial discretisation schemes, boundary conditions, computational mesh –shape and size of cells–, etc.) are tested and evaluated thanks to performance indicators (such as RMS –Root Mean Square– indicators) based on velocities (in situ mean velocities and PIV velocity fields obtained in laboratory), water depths and discharge (discharge repartition for bifurcation in laboratory or in situ overflow discharge, for CSOs). Results deriving from these tests are transposable to other singularities or special structures encountered in sewer network and suggest that: i) simulated CFD results are sensitive to the roughness coefficient; ii) for the three studied structures, second-order discretisation schemes and SIMPLE or PISO velocity/pressure coupling algorithm are appropriate; iii) scalable wall function associated to the group of k-ε turbulence model for junction flows (with a lateral inflow lower or equal to the main inflow) or for CSOs is appropriate, whereas RSM turbulence model associated to enhanced wall function allows a better representation of bifurcation flows or junctions flows when the lateral inflow is greater than the main inflow. Based on these results and on Jakeman et al. (2006) guideline, a six steps-methodology focused on the using of RANS approach modelling has been proposed. This six steps-methodology is used in order to i) enhance the monitoring of an OTHU (Observatoire de Terrain en Hydrologie Urbaine) CSO located at Ecully accounting for uncertainties on overflow discharge values ;ii) simulate the performance of flowmeters downstream of a junction, defining the best location for these sensors. This methodology is used to design the new overflow discharge measurement device. This device is an international patent. Finally, the application of the methodology led to point out a new flow structure, occurring in the downstream lateral branch of a 90° bifurcation.

Ce travail s’inscrit dans le cadre d’un projet LIFE+ qui vise à restaurer le fonctionnement hydromorphologique d’un hydrosystème rhénan. Une étude planimétrique couplée à des analyses hydromorphologiques et sédimentologiques ont permis (i) d’améliorer la compréhension des dynamiques d’ajustement passées et (ii) d’identifier les principales limites du projet. Les évolutions morphologiques post-restauration ont été suivies à l’aide d’une combinaison de méthodes géodésiques et géomorphologiques afin de déterminer précisément les volumes déposés / exportés à différentes échelles spatio-temporelles. Enfin, la thermographie infra-rouge aéroportée a permis de mettre en évidence les liens entre la répartition spatiale des anomalies thermiques, les caractéristiques morphodynamiques et les héritages géomorphologiques. L’approche interdisciplinaire développée dans ce travail a permis de guider les choix opérationnels pour optimiser le suivi et l’évaluation des restaurations fonctionnelles futures. / This study is part of a LIFE+ project which aims to restore hydromorphological functioning of a Rhine hydrosystem. A planimetric study combined with hydromorphological and sedimentological analysis allowed to (i) improve understanding of past adjustment dynamics and (ii) identify main limitations of the project. Post-restoration morphological changes were monitored by geodesic and geomorphological methods combination in order to determine accurate volumes of sediment deposited / exported at different spatio-temporal scales. Finally, airborne thermal-infrared was used to highlight the relationship between spatial distribution of thermal anomalies, morphodynamic characteristics and inherited geomorphological features. Interdisciplinary approach leaded in this study was able to guide decision-makers choices in order to optimise the monitoring and assess future functional restorations.

Dans les années à venir, l’industrie de l’aéronautique doit améliorer le contrôle thermique des composants et modules hautement intégrés. Les approches de refroidissement standard, utilisant l’air forcé ne sont plus utilisables. Il est donc nécessaire de développer de nouvelles technologies capables d’offrir des solutions compatibles avec ces nouvelles problématiques. Une revue bibliographique approfondie est présentée pour montrer les solutions existantes pour l’avionique. Les systèmes à changement de phase, tels que les boucles diphasiques capillaires (LHPs), sont très attractifs puisqu’ils peuvent être utilisés pour transporter la chaleur vers une grande surface d’un radiateur qui dissipera la chaleur vers le milieu ambiant. Une première famille de LHP, conçue et réalisée par la compagnie Atherm, et remplie avec du méthanol, est décrite. Deux autres familles de LHP sont également présentées. La première a été réalisée par la société ATHERM et a un condenseur et des lignes de transports modifiés, afin d’être intégrée sur une carte électronique existante. La deuxième famille, a été conçue et réalisée par l’Institut of Thermal Physics (ITP), sur la base de spécifications similaires. Un banc d’essai expérimental est conçu et réalisé pour tester ces systèmes. Les effets de la charge en fluide, baïonnette, et mèche secondaire, sont observés. Des tests d’orientation et d’accélération sont réalisés sur des LHPs intégrées dans un rack aéronautique. Même une certaine sensibilité aux orientations et accélérations est observée, les LHPs fonctionnement toujours jusqu’à l’accélération maximale testée de 6 G. Un modèle stationnaire d’une boucle diphasique basé sur une approche à plusieurs échelles est développé. Plusieurs niveaux de complexité et de précision peuvent être sélectionnés pour le modèle des composants individuels de la boucle, allant du modèle nodal au modèle 3D. Le modèle est validé avec les données expérimentales. Un bon accord entre les simulations numériques et les résultats expérimentaux est obtenu. Les résultats numériques montrent que la charge de fluide dans le réservoir affecte le comportement thermique de la LHP en modifiant la répartition des flux de chaleurs. Des gradients de température importants sont observés dans la plaque du condenseur, et un nouveau tracé de la ligne condenseur est proposé. Plusieurs modifications de l’évaporateur sont analysées. La diminution la plus importante de la résistance thermique de l’évaporateur est obtenue par une bonne disposition des rainures axiales de la mèche, associée à une semelle optimisée, ou à des rainures radiales. / In the coming years, the avionics industry will have to improve the thermal control of both existing and emerging highly integrated electronic components and modules. The standard cooling approaches using forced air are no longer applicable. It is necessary to develop new technologies being able to offer solutions compatible with those new problematic. An extensive literature review is presented to show the existing cooling solutions for avionics. Two-phase passive systems, such as LHPs are very attractive as they may be used as heat spreader, associated with a classical heat sink to dissipate the heat. A first family of LHP, designed and manufactured by the ATHERM Company and filled with methanol as the working fluid is described. Two other LHP families are also presented. The first one was manufactured by ATHERM and has modified condenser and transport line shapes, in order to be integrated into an existing electronic card. The second one was manufactured and designed by the Institute of Thermal Physics, on the same specification basis. An experimental setup is designed and built to test these LHPs. The effects of fluid fill charge, bayonet and secondary wick are observed. Orientation and acceleration tests are conducted on LHPs integrated within an avionic rack. Even if the LHPs exhibited sensitivity to orientation and acceleration, no failure of the LHP was observed up to the maximum applied acceleration (6 G). A steady state model of LHP based on a multi-level approach is developed. Various levels of complexity and precision can be selected for the model of the individual component, going from the nodal to the 3D model. The model is validated with experimental data from the laboratory tests. A good agreement is achieved between the experimental and the numerical data. The numerical results show that the fluid fill charge within the reservoir affects the thermal behavior of the LHP, by modifying the heat flux distribution. High temperature gradients are highlighted in the condenser plate and a redesign of its shape is proposed. Various modifications of the evaporator design are considered. The most important decrease of the evaporator thermal resistance is brought by a good disposition of the axial vapor grooves associated with an optimized saddle shape or radial vapor grooves.