Polymer nanocomposites have attracted a great deal of attention during the past few decades. Benefiting from the nanoscale geometry, immense surface-to-volume ratio, and exceptional chemical and physical properties, nanoparticles are theoretically expected to enhance the performance of polymer systems. In practice, the preparation of polymer nanocomposites brings its own challenges. To achieve the best reinforcing effect, nanoparticles should be uniformly dispersed within the polymer matrix, and effectively interact with the polymer chains. The strong attractive forces that exist at molecular levels between the nanoparticles through their extensive interfacial area make it very challenging to overcome these issues. Furthermore, the presence of nanoparticles in the polymer matrix significantly alters the processing condition of the polymer system. Therefore, the main objective of this thesis is to investigate the dispersion and interfacial interactions in polymer nanocomposites. To avoid the uncertainties associated with the visual and qualitative analysis of dispersion, which is commonly used by the researchers, a robust algorithm was developed to automatically quantify the state of dispersion in optical and electron micrographs. Several experiments were carried out to perceive the influence of surface modification of nanoparticles on the performance of polymer nanocomposites. Two different material systems were examined: organoclay-modified polylactide (PLA), and carbon nanotube (CNT)-modified epoxy. It was shown that the proper surface modification of nanoparticles could facilitate the dispersion, and consequently, enhance the mechanical and physical performance of the host polymer. To understand the effect of processing conditions on the dispersion quality of nanocomposites, a systematic study on the dispersion stability of CNT-modified epoxy resin was performed. It was found out that at elevated temperatures, CNTs show little affinity for the resin; thereby, any factors that promote the possibility of contacts between the nanotubes may result in their reagglomeration. Consequently, during processing, the dispersion stability is highly influenced with the flow-induced mobility of nanotubes resulting from external shear forces or a change in the viscosity. The insights gained throughout this investigation can be used to optimize the processing conditions and manufacturing methods for maintaining a stable dispersion during processing, and consequently obtaining nanocomposites with enhanced performance. / Les polymères nano-renforcés ont attiré beaucoup d'attention au cours des dernières décennies. Profitant de la géométrie à l'échelle nanométrique, immense rapport surface/volume, et les propriétés chimiques et physiques exceptionnelles, les nanoparticules améliorent en théorie la performance des systèmes de polymères. Dans la pratique, la préparation de polymères nano-renforcés comporte ses propres défis. Pour obtenir le meilleur renforcement possible, les nanoparticules doivent être uniformément dispersées dans la matrice, afin d'interagir efficacement avec les chaînes du polymère. Les forces d'attraction moléculaires qui existent à l'interface entre différentes nanoparticules rendent ces problèmes difficiles à surmonter. En outre, la présence de nanoparticules dans la matrice modifie de manière significative les procédés de fabrication de ce système polymère. Par conséquent, l'objectif principal de cette thèse est d'étudier la dispersion et les interactions interfaciales dans les polymères nano-renforcés. Pour éviter les incertitudes liées à l'analyse visuelle et qualitative de la dispersion, utilisée couramment par les chercheurs, un algorithme robuste a été développé pour quantifier automatiquement l'état de dispersion dans les micrographies optiques et électroniques. Plusieurs expériences ont été réalisées pour comprendre l'influence de la modification de surface des nanoparticules sur la performance des polymères nano-renforcés. Deux matériaux différents ont été examinés: un polylactide (PLA) renforcé avec des organo-argiles, et un époxy renforcé par des nanotubes de carbone (CNT). Il a été démontré qu'une modification appropriée de la surface des nanoparticules pourrait faciliter la dispersion, et par conséquent pourrait améliorer les performances mécaniques et physiques du matériau. Pour comprendre l'effet des procédés de fabrication sur la dispersion des polymères nano-renforcés, une étude systématique sur la stabilité de la dispersion de résine époxyde renforcée par des CNT a été effectuée. Il a été constaté que, à des températures élevées, les nanotubes de carbone présentent peu d'affinité avec la résine, et de ce fait, tous les facteurs qui favorisent la possibilité de contacts entre nanotubes peuvent conduire à leur ré-agglomération. Par conséquent, pendant le procédé de fabrication, la stabilité de la dispersion est fortement influencée par la mobilité induite par l'écoulement de nanotubes résultant de forces de cisaillement externes ou un changement de la viscosité. Les connaissances acquises tout au long de cette enquête peuvent être utilisés pour optimiser les procédés et les méthodes de fabrication afin de maintenir une dispersion stable tout au long de la fabrication, et obtenir ainsi un polymère nano-renforcé avec des performances accrues.

The ignition of titanium in bulk form when exposed to a supersonic flow of oxygen is studied. Prior studies have shown that the ignition of various bulk metals was possible and suggested that, despite air at ambient conditions (1 bar, 300 K) being outside the ignition envelope of these metals, they are capable of igniting in pure oxygen at elevated pressure and may continue to burn in air once ignited. The data from prior studies were relatively sparse in their measurement of the oxygen partial pressure and flow (or projectile) velocity required to observe bulk metal combustion. The present study focuses on performing a systematic investigation of the envelope of projectile velocities and oxygen pressures for which exothermic reaction is observed to occur for titanium projectiles. Projectiles, consisting of spheres 3.175 mm (0.125 in) in diameter, were launched at speeds of 0.7 to 1.8 km/s (Mach 2.0 to 5.4) using a single-stage light-gas gun into a test section of oxygen with pressure varying between 1 and 5.5 bar in order to determine the conditions necessary to observe combustion. The projectile is observed using a combination of high-speed photography, photodetectors, and spectrometers to quantify the luminosity emitted. The results are correlated with the melting and boiling points of titanium, the adiabatic flame temperature, and the stagnation conditions of the supersonic flow. A model was also developed and successfully reproduced the main experimental trends as well as corroborated the above claim that combustion was occurring. / L'allumage de titane en vrac lorsqu'il est exposé à un écoulement supersonique d'oxyène est étudiée. Des études antérieures on montré que l'allumage de divers métaux en vrac étaient possible et a suggéré que, en depit de l'air dans les conditions ambiantes (1 bar, 300 K) étant à l'extérieur de l'enveloppe de l'allumage de ces métaux, ils sont capables d'allumer dans l'oxygène pur à des pressions élevées et peuvent continuer à brûler dans l'air une fois allumés. Les données provenant d'études antérieures étaient relativement rares dans leur mesure de la pression partielle d'oxygène et la vitesse du projectile requise pour observer la combustion du métal en vrac. La présente étude se concentre sur la réalisation d'une étude systématique de l'enveloppe de vitesses des projectiles et des pressions d'oxygène pour lesquels on observe une réaction exothermique se produire pour les projectiles de titane. Les projectiles, composé de sphères 3,175 mm (0.125 po) de diamètre, ont été lancés à des vitesses de 0,7 à 1,8 km/s (Mach 2,0 à 5,4) par un canon à gaz léger à un seul étage dans une section d'essai de l'oxygène avec une pression variant entre 1 et 5,5 bar afin de déterminer les conditions nécessaires pour observer la combustion. Le projectile est observée à l'aide d'une combinaison de la photographie à haute vitesse, des photodétecteurs, et spectromètres pour quantifier la luminosité émise. Les résultats sont en corrélation avec les points de fusion et d'ébullition de titane, la température de flamme adiabatique, et des conditions de stagnation de l'écoulement supersonique. Un modèle a également été élaboré et reproduit avec succès les principales tendances éxperimentales ainsi que corroboré la demande ci-dessus que la combustion se produisait.

This thesis deals with the theoretical study of the linear and nonlinear dynamics of a slender flexible cantilevered cylindrical structure subjected to external axial water and air flows, of interest because of several important practical applications such as nuclear reactor fuel-element bundles, double pipe heat exchangers, and angioplasty. Lack of knowledge to account for the three-dimensional behaviour, important in the above-mentioned practical applications, was the motivation behind the present work. The theoretical results were obtained in the form of the amplitudes and frequencies of the instabilities, as well as the critical flow velocities at which these instabilities occurred. Experiments were conducted to validate and complement the theoretical results for water flow. The results obtained from the experiments were presented in the form of dimensionless mean displacements, their corresponding root mean square values, and frequencies as a function of dimensionless flow velocity. Finally, the path traced by the oscillating cylinder was mapped. In fluid-structure interaction problems, the fluid forces such as the inviscid hydrodynamic forces, the frictional or viscous forces, and the hydrostatic or pressure forces acting on the flexible structure play a vital role in defining the dynamics of the system. Therefore, a precise calculation of the force coefficients, such as longitudinal and normal viscous coefficients, base drag coefficient, and zero-flow normal force coefficient present in the equations of motion associated to the above mentioned fluid forces, is imperative. These presently calculated force coefficients were then incorporated in the linear and nonlinear equations of motion and solved to obtain the response of the cylinder in water flow. The response of the system from the linear model in air flow was also obtained. The effect of confinement on the linear dynamics was also studied. A nonlinear three-dimensional cantilevered cylinder model was also created and simulated in a commercially available finite element modeling and simulation package, namely ADINA, in order to complement the results obtained from the linear and nonlinear models. The results of the ADINA simulations were obtained in water as well as air flows.Experimental results validated the analytical and numerical model results. The results, thus obtained, are expected to play an important role in improving the above-mentioned engineering and medical applications to ensure operation below critical flow conditions. / Cette thèse traite de la dynamique linéaire et non linéaire d'une structure mince et flexible dans un écoulement axial d'eau ou d'air. Ce sujet a des applications importantes, par exemple en ce qui concerne les vibrations des faisceaux d'éléments combustibles dans les réacteurs nucléaires, les échangeurs de chaleur et l'angioplastie. Le manque de connaissances sur le comportement tridimensionnel de la structure mince dans les applications mentionnées ci-haut a motivé la recherche présentée dans cette thèse. Les résultats théoriques donnent les vitesses d'écoulement critiques pour le déclenchement des instabilités fluide-élastiques, ainsi que les amplitudes et fréquences associées à ces instabilités. Des expériences ont été menées afin de valider et de compléter les résultats théoriques pour des écoulements d'eau. Les résultats obtenus à partir des expériences sont présentés sous la forme de moyennes de déplacements adimensionnels 'root-mean-square', et les fréquences en fonction de la vitesse d'écoulement adimensionnelle. Enfin, la forme tracée par le cylindre oscillant a été cartographiée.Dans les problèmes d'interaction fluide-structure, les forces de fluide, telles que les forces hydrodynamiques non visqueuses, les forces associées au frottement, et les forces hydrostatiques et de pression agissant sur la structure souple jouent un rôle vital sur la dynamique du système. Par conséquent, un calcul précis des coefficients de ces forces est impératif dans les équations de mouvement associés aux forces fluides mentionnées ci-dessus, tels que les coefficients longitudinales et normales visqueux, le coefficient de traînée de base, et le coefficient de force normale dans un fluide stagnant. Ces coefficients de force actuellement calculés ont ensuite été intégrés dans les équations linéaires et non linéaires du mouvement, et les équations ont été résolues pour obtenir la réponse du cylindre dans l'écoulement d'eau. La réponse du système à partir du modèle linéaire d'un écoulement d'air a également été obtenu. L'effet du confinement sur la dynamique linéaire a aussi été étudié.Un modèle de cylindre en porte à faux tridimensionnel non linéaire a également été créé et simulé dans un logiciel de modélisation par éléments finis et de simulation un logiciel commercial, à savoir ADINA, afin de compléter les résultats obtenus à partir de modèles linéaires et non linéaires. Les résultats des simulations de ADINA ont été obtenus pour des écoulements d'eau, ainsi que des écoulements d'air.Les résultats expérimentaux ont validé les résultats des modèles analytique et numérique. Les résultats ainsi obtenus sont appelés à jouer un rôle important dans l'amélioration des techniques et applications industrielles et médicales mentionnées ci-dessus pour assurer un fonctionnement au dessous des conditions d'écoulement critiques.

Composite materials are widely used in the aerospace industry due to their high strength and stiffness properties, as well as the manufacturing possibilities they offer for large components at lower assembly costs. To further lower the manufacturing cost, the use of Out of Autoclave (OOA) process is increasing in popularity. However, mechanically joining parts is a necessary step in the assembly of a large component, driving up the weight of the component and the final assembly cost. A Pi-Joint is one way to offer lower assembly cost through secondary bonding while ensuring the joint's reliability due to the redundancy in the load path. Predicting the failure strength of a bonded joint is essential for the initial stages of aircraft structure design. In this research project, the OOA process is used to manufacture Pi-Joints using pre-impregnated carbon fibre fabric. The Pi-Joint is co-cured with the skin, followed by a secondary bond operation of the web onto the Pi-Joint and skin assembly. To assess the strength of the joint, four different manufacturing techniques are used. In addition, a finite element analysis technique is used to estimate the first mode of failure for the different configurations of the Pi-Joint. The failure strength is correlated with experimental test results to determine the reliability of the manufacturing techniques. Static strength analyses are carried out along with mechanical tests to assess the redundancy of the load path. It is shown in this research that the finite element modelling results are in agreement with the test results. / Les matériaux composites sont largement utilisés dans l'industrie aéronautique en raison de leur grande résistance, de leur rigidité, et de leur facilité à être fabriquée en composantes de grandes dimensions à faible coût. Afin de minimiser d'avantage les coûts liés à la fabrication des pièces, le processus de fabrication hors autoclave ou OOA est de plus en plus utilisé. Cependant, l'assemblage mécanique des pièces constitue une étape inévitable de l'assemblage du produit. Ce processus a pour effet d'augmenter le poids et le coût de l'assemblage final. L'utilisation du Joint en Pi qui assemble la structure par un collage secondaire permet de réduire les coûts et d'augmenter la fiabilité du produit final grâce à la multiplicité des chemins de charge qu'il offre. Prédire la défaillance d'un joint collé est essentielle aux phases préliminaires de design des structures primaires d'un avion. Dans ce projet de recherche, le procédé OOA est utilisé afin de fabriquer des joints en composite à base de fibre de carbone. Le Joint en Pi est cocuit avec le revêtement puis une cuisson secondaire permet de joindre l'âme à l'assemblage du Joint en Pi et du revêtement. Afin de déterminer la rigidité du joint, quatre techniques de fabrication sont utilisées. De plus, des analyses par éléments finis sont utilisées afin de prédire le premier mode de défaillance pour diverses configurations du Joint en Pi. La résistance à la défaillance est corrélée avec des résultats de tests expérimentaux afin d'assurer la fiabilité du procédé de fabrication. Des analyses statiques et des tests sont réalisés afin de démontrer la multiplicité du chemin de charge. Dans cette recherche il est montré que les résultats des analyses par élément finis sont en accord avec les résultats des tests.

Carbon fiber reinforced cyanate ester composites are of interest for space structural applications where not only specific strength and stiffness are required but also dimensional stability and resistance to microcracking. However, because those materials are relatively new, there is a lack of knowledge with respect to their thermal cycling behavior and the related damage mechanisms. This thesis focused on studying the microcracking behavior of a carbon reinforced cyanate ester composite in order to understand the conditions under which microcracking initiates, and it also investigates the impact of microcracking on mechanical behavior. We have investigated the performance of such composite for space applications, focusing on the accumulation of damage from extreme thermal and externally applied stresses. For this purpose we subjected a five-harness satin weave fabric in [0/45]s to micromechanical testing in three point bending, TMA, DMA and thermal cycling using a "fast dipping" method. Micromechanical testing in three-point bending, combined with in-situ imaging, were used to understand the cracking behavior of the material subjected to external mechanical loading. TMA and DMA were used to assess the materials' thermal and mechanical properties under thermal cycling. The variation of CTE under thermal cycling was assessed by TMA and degradation of modulus due to damage accumulation monitored using a three point bending fixture under cold cycling in the DMA. Extreme thermal cycling was carried out and the effect of cold and hot cycling evaluated by imaging the material and measuring its modulus before and after cycling. Finally, three theoretical models based on the thermoelastic theory were developed: (i) one considering the case of a fiber in an infinite matrix allowing to assess thermal stresses induced by thermal cycling, (ii) one considering the case of a fiber coated in an infinite matrix allowing to assess thermal stresses induced by thermal cycling and (iii) one model allowing to determine mechanical and thermal properties of plies oriented in different directions. / Les matériaux composites à base d'ester cyanate renforcés de fibres de carbone sont d'intérêt particulier pour les applications structurelles spatiales où non seulement les force et rigidité spécifiques sont requises mais aussi la stabilité dimensionnelle ainsi que la résistance à la microfissuration. Toutefois, puisque ces matériaux sont relativement nouveaux, il existe un manque significatif de connaissances quant à leur comportement face au cyclage thermique ainsi qu'au sujet des mécanismes d'endommagement reliés. Cette thèse rend compte des travaux de recherche effectués sur un matériau composite à base d'ester cyanate renforcés de fibres de carbone en ce qui attrait son comportement face à la microfissuration dans le but de comprendre les conditions sous lesquelles la microfissuration est initiée ainsi que les conséquences de cette dernière sur le comportement mécanique de ce matériau. Nous avons examiné la performance d'un tel matériau à des fins d'applications spatiales en mettant l'emphase sur l'accumulation du dommage engendré par l'application de stresses extrêmes thermique et externes. Dans ce cadre d'idées, nous avons soumis un laminé composite en tissu satiné tissé en 5-harnais superposé en [0/45]s, à des tests micromécaniques de flexion en trois points, TMA, DMA ainsi qu'à du cyclage thermique en utilisant une méthode dites de « trempe ». Les tests micromécaniques de flexion en trois points combinés à de l'imagerie in-situ ont été utilisés afin de comprendre le comportement de microfissuration du matériau soumis à des contraintes mécaniques externes. Les tests de TMA et DMA quant à eux ont été utilisés afin d'évaluer les propriétés thermiques et mécaniques du matériau assujetti à du cyclage thermique. La variation du coefficient de dilatation thermique (CDT) fut évaluée par TMA et la dégradation du module d'élasticité par DMA à l'aide d'un système de flexion en trois points sous cyclage à froid. Des tests de cyclage thermique extrêmes ont été menés et l'effet des cyclages à froid ainsi qu'à chaud évalués par imagerie et par mesure du module d'élasticité avant et après cyclage. Finalement, trois modèles fondés sur les principes de thermoélasticité ont été développés : (i) un modèle considérant le cas d'une fibre dans une matrice infinie permettant d'évaluer les stress thermiques induits par cyclage thermique, (ii) un modèle considérant une fibre enrobée dans une matrice infinie permettant d'évaluer les stress thermiques induits par cyclage thermique et (iii) un modèle permettant de déterminer les propriétés mécaniques et thermiques des plis orientés dans différentes directions.

Honeycomb sandwich panels offer an extremely lightweight solution for aerospace structures. As efficiency demands increase, low-cost non-autoclave manufacturing solutions are sought for honeycomb and other composite structures. Vacuum-bag-only (VBO) manufacturing is one possible solution that relies on vacuum to remove all entrapped volatiles prior to cure, and then the differential pressure between the inside and outside of the vacuum bag consolidates the layers during cure. This technique can be very effective for monolithic laminates made with out-of-autoclave (OOA) prepregs, but honeycomb structures introduce two additional manufacturing nuisances. First, the core entraps up to 98 % of its volume during lay-up, and second, non-metallic cores readily absorb ambient moisture. Entrapped air and moisture can increase the honeycomb core pressure during processing, reducing part quality. Given that the honeycomb core pressure is crucial to achieving success in VBO manufacturing of honeycomb panels, a threefold approach was used in this thesis to study the transport phenomena that influence this behaviour. First, the transport phenomena of the constituent materials were characterized. Applying an impermeable boundary condition to the tool-side skin allowed for simple air permeability characterization of honeycomb skins by considering only the bag-side skin. An instrumented test fixture was used to measure the honeycomb core pressure during the pre-processing vacuum hold. The results revealed that a transverse interconnected pore space was required in OOA prepreg skins for gas evacuation to proceed in honeycomb panels. The same test fixture was used to characterize the honeycomb skin air permeability and honeycomb core moisture diffusivity during elevated temperature processing. The evolving skin air permeability and core diffusivity were observed to cause the honeycomb core pressure to increase during the temperature ramp and decrease during the temperature hold. Second, a process model was developed to predict honeycomb core pressure throughout the manufacturing process. The process model identified that the honeycomb core pressure can exceed the vacuum bag consolidation pressure due to the high core moisture adsorption and elevated temperature diffusivity. Choosing, or creating, a honeycomb skin with high air permeability was identified as a key process parameter to avoid exceeding the consolidation pressure. Finally, the material characterization and process modelling were successfully scaled to reproduce the honeycomb core pressure behaviour in holistic honeycomb panels. The in-situ honeycomb core pressure was measured throughout the manufacturing process in dual-skin honeycomb panels using embedded pressure sensors. The embedded pressure sensor response validated the material characterization assumptions and model simplifications used to predict the honeycomb core pressure during the VBO manufacturing process. Manufacturing honeycomb panels is a complex activity with many material and processing variables. A suitable skin material and bagging configuration was selected for VBO manufacturing of honeycomb panels by coupling transport phenomena modelling and tailored material characterization. This approach could be used to reduce manufacturing trial and error before scaling these materials to larger applications. / Les panneaux sandwich en nid d'abeille offrent une solution extrêmement légère pour les structures aérospatiales. Avec l'augmentation de la demande pour les structures en matériaux composites, les solutions de fabrication de ces structures hors de l'autoclave sont recherchées afin de réduire les coûts. La méthode de fabrication avec sac sous vide requiert une pompe à vide pour enlever tous les gaz piégés après le drapage des matériaux préimprégnés et créer le différentiel de pression entre l'intérieur et l'extérieur du sac à vide afin de consolider les couches de composite. Cette technique peut être très efficace pour les laminés monolithiques, mais les structures en nid d'abeille présentent deux difficultés supplémentaires lorsque des nids d'abeilles non métalliques sont utilisés. D'abord, le nid d'abeille contient 98% du volume d'air piégé pendant le drapage, et deuxièmement, les nids d'abeilles non métalliques absorbent l'humidité pendant leur manipulation. L'air emprisonné dans le nid d'abeilles et l'humidité va augmenter la pression pendant la mise en forme, et peuvent créer des défauts. Cette thèse est divisée en trois thèmes pour étudier et pour optimiser le processus de fabrication des panneaux de composite sandwich avec nid d'abeilles. Tout d'abord, une condition imperméable a été appliquée sur le côté de l'outil, ce qui permet une caractérisation simple des matériaux utilisés pour la mise en forme combinés avec les matériaux préimprégnés de côté de sac à vide. La perméabilité à l'air pour les matériaux préimprégnés a été mesurée durant l'évacuation de l'air avant la cuisson, révélant un degré significatif de l'anisotropie de perméabilité à l'air. Pendant la cuisson à température élevée, la perméabilité à l'air a évolué avec le cycle de cuisson. En outre, le coefficient de diffusion de l'humidité du nid d'abeille non métallique a été caractérisé par une fonction de la concentration d'humidité et de la température. Deuxièmement, un modèle a été développé pour prédire la pression dans le nid d'abeille pendant le processus de fabrication. Des cartes de processus ont été créées afin d'identifier les combinaisons de conditions de traitement pouvant augmenter la pression dans le nid d'abeille au-dessus de la pression de consolidation. Finalement, des panneaux ont été fabriqués avec un laminé sur le côté de l'outil ainsi que sur le côté du sac à vide. Des capteurs de pression ont été incorporés pour mesurer la pression dans le nid d'abeilles pendant le processus de fabrication. La caractérisation des matériaux et la modélisation des processus développées à partir d'expériences simples à petite échelle ont permis de reproduire avec succès le comportement complexe de la pression dans le nid d'abeilles des pièces de grandes dimensions.

Underground mines are valuable sources of geothermal energy. The present study aims to understand the heat transfer phenomenon that takes place during heat extraction from underground mines using two distinctive techniques. In the first technique, geothermal heat is extracted from abandoned mine tunnels by circulating water through the tunnels, which are usually flooded after the mine is decommissioned. The second technique is based on the novel idea of installing geothermal heat exchange tubes in backfilled mine stopes prior to backfill placement in the stope. This second technique is patented by researchers at McGill University. To study geothermal heat extraction from abandoned mine tunnels, a numerical heat transfer model is developed, which takes into account forced convection inside the tunnel, conduction in the rock mass surrounding the tunnel and heat load intermittency. After development, the heat transfer model is validated by comparing its results against results from existing heat transfer models. Effects of various geometric and physical parameters on heat extraction from mine tunnels are studied using the newly developed heat transfer model, and the parameters that have the first-order effect are identified. To investigate the feasibility of the novel technique of heat extraction from backfilled mine stopes, numerical and experimental heat transfer studies are conducted. To assess the performance of a stope-coupled geothermal heat exchanger system, a numerical model is developed. The model is capable of considering the effect of heat conduction as well as natural convection. The results of the developed model are compared with those from existing ground-coupled heat exchanger models. To further validate the developed numerical model, a series of experimental tests are conducted using a small-scale laboratory test setup built for this purpose. By introducing information gathered from a number of Canadian mines into the developed heat transfer model, effects of hydraulic conductivity, thermal conductivity, rate of heat extraction and arrangement of heat exchanger tubes are investigated. / Les mines souterraines sont des sources précieuses d'énergie géothermique. Cette étude vise à comprendre le phénomène de transfert de chaleur qui a lieu lors de l'extraction de chaleur à partir des mines souterraines, en utilisant deux techniques distinctes. Pour la première technique, la chaleur géothermique est extraite à partir des tunnels des mines abandonnés. Le mécanisme d'extraction est fait par la circulation d'eau à travers ces tunnels qui sont habituellement submergés après que la mine est déclassée. La deuxième technique est basée sur l'idée nouvelle de l'installation des tubes qui peut échanger la chaleur géothermique dans les chantiers miniers remblayés avant le placement du remblai. Cette technique est brevetée par des chercheurs de l'Université McGill. Un modèle numérique de transfert de chaleur a été développé pour étudier l'extraction de chaleur géothermique des tunnels de mines abandonnés. Ce modèle tient compte de la convection forcée à l'intérieur du tunnel, la conduction dans la masse rocheuse qui entour le tunnel et l'intermittence de la charge thermique. Après son développement, le modèle est validé en comparant ses résultats aux ceux des modèles existants. Les effets de plusieurs paramètres géothermiques et physiques sur l'extraction de la chaleur à partir des tunnels des mines sont étudiés en utilisant le nouveau modèle développé. Les paramètres qui ont l'effet du premier-ordre sont ainsi identifiés. Pour étudier la faisabilité de la technique nouvellement développé pour l'extraction de chaleur par des chantiers des mines remblayés, les études numériques et expérimentales sont menées. Un modèle numérique a été développé pour évaluer la performance d'un chantier couplé avec un système d'échangeur de chaleur géothermique. Le modèle est capable de tenir compte l'effet de la conduction ainsi que la convection naturelle. Les résultats du modèle développé sont comparés à ceux des modèles d'échangeurs de chaleur géothermique existants. Pour une validation plus concrète sur le modèle numérique développé, une série de tests expérimentaux est effectuée en utilisant une configuration dans le laboratoire à petite échelle construite à cet effet. En introduisant l'information recueillie à partir de nombreux mines canadiennes dans le modèle de transfert de chaleur, les effets de la conductivité hydraulique, la conductivité thermique, la vitesse d'extraction de chaleur et la disposition des tubes de l'échangeur de chaleur sont étudiés.

A good understanding of the viscoelasticity of soft biomaterials and tissue is needed to predict their mechanical response under loads in biological conditions. For example, the viscoelastic properties of hydrogels used in cell culturing and tissue engineering should approximately match those of the tissue they replace. These properties are strongly dependent on the excitation frequency. This has important implication for voice production. The human vocal folds oscillate at a fundamental frequency around 125, 200, 300 and 500 Hz in normal phonation for male, female, children and infants, respectively. Vibration frequencies can reach up to a few kHz, specially in singing. Vocal fold oscillations, essential to voice production, are significantly affected by the mechanical (viscoelastic) properties of the vocal fold mucosa. A novel characterization method based on Rayleigh wave propagation was developed for the quantification of frequency-dependent viscoelastic properties of soft biomaterials over a broad frequency range; i.e., up to 4 kHz. Synthetic silicone rubber and gelatin samples were fabricated and tested to evaluate the proposed method. The shear and elastic moduli and the loss factor obtained from the Rayleigh wave propagation method were compared with results from two other methods, as well as results from an independent study. The proposed method was found to be accurate and cost effective for the measurement of viscoelastic properties of soft biomaterials, such as phonosurgical biomaterials and hydrogels, over a wide frequency range. A non-invasive method was developed to measure the shear modulus of human vocal fold tissue in vivo during phonation. This is needed for the development of injectable biomaterials for vocal fold augmentation and repair, and to evaluate voice treatment procedures. The mucosal wave propagation speed was measured for four human subjects at different phonation frequencies using high speed endoscopic images of the larynx and image processing methods. The transverse shear modulus of the vocal fold mucosa was then calculated from a surface wave propagation dispersion equation using the measured wave speeds. The results were found to be in good agreement with those from other studies obtained via in vitro measurements, thereby supporting the validity of the proposed measurement method. Hyaluronic acid-gelatin hydrogels with varying concentrations of cross-linker are other constituents were fabricated. These biomaterials are for use as synthetic extracellular matrix in vocal fold tissue engineering. The Rayleigh wave propagation method was used to quantify the frequency-dependent viscoelastic properties of these hydrogels, including shear and viscous moduli, over a broad frequency range; i.e., from 40 to 4000 Hz. The viscoelastic properties of the designed hydrogels were similar to those of human vocal fold tissue obtained from in vivo and in vitro measurements. It was shown that the cross-linker concentration is the most common parameter to tune the viscoelastic properties of designed hyaluronan-based hydrogels. The hyaluronic acid and gelatin contents of these hydrogels are the main parameters to adjust their biochemical and biological properties, considering the changes in the viscoelastic properties of the hydrogels. / Les propriétés viscoélastiques des biomatériaux et des tissus mous déterminent leur comportement mécanique sous charge dans des conditions biologiques. Par exemple, les propriétés viscoélastiques des hydrogels utilisés dans la culture cellulaire et l'ingénierie tissulaire doivent approximativement correspondre à ceux du tissu qu'ils remplacent. La quantification précise des propriétés dépendant de la fréquence de tissus de cordes vocales et des biomatériaux mous est importante pour la reconstruction de la voix. Les cordes vocales humaines oscillent à une fréquence fondamentale autour de 125, 200, 300 et 500 Hz pour une phonation normale chez les hommes, femmes, enfants et nourrissons, respectivement. Les fréquences de vibration peuvent atteindre jusqu'à plusieurs kHz, spécialement dans le chant. Les oscillations des cordes vocales, essentielles à la production de la voix, sont significativement affectées par les propriétés mécaniques (viscoélastiques) de la muqueuse des cordes vocales. Une méthode de caractérisation nouvelle basée sur la propagation des ondes de Rayleigh a été développée pour la quantification des propriétés viscoélastiques dépendant de la fréquence des biomatériaux moux sur une large gamme de fréquences, soit jusqu'à 4 kHz. Des caoutchouc de silicone synthétique et des échantillons de gélatine ont été fabriqués et testés pour évaluer la méthode proposée. Les modules de cisaillement et élastique et le facteur de perte obtenu à partir de la méthode de propagation des ondes de Rayleigh ont été comparés avec ceux obtenus à l'aide de deux autres méthodes, ainsi qu'a des résultats présentés dans une étude indépendante. La méthode proposée semblé fiable, précise et pratique rentable pour la mesure des propriétés viscoélastiques des biomatériaux mous, comme les biomatériaux de phonosurgical et d'hydrogels, sur une large gamme de fréquences.Une méthode non-invasive a été développée pour mesurer le module de cisaillement des tissus de cordes vocales humaines in vivo au cours de la phonation. Ceci est nécessaire pour le développement de biomatériaux injectables pour l'augmentation des cordes vocales et de réparation, et pour évaluer les procédures de traitement de la voix. La vitesse de propagation de l'onde muqueuse a été mesurée pour quatre sujets humains à des fréquences différentes en utilisant des images endoscopiques à grande vitesse du larynx et des méthodes de traitement d'image. Le module de cisaillement transversal de la muqueuse des cordes vocales a ensuite été calculé à partir d'une équation de dispersion de propagation des ondes de surface en utilisant les vitesses d'ondes mesurées. Les résultats sont en bon accord avec ceux d'autres études obtenus par des mesures in vitro, confirmant ainsi la précision de la méthode de mesure proposée.Les hydrogels acide hyaluronique-gélatine avec des concentrations de cross-linker diverses et d'autres composants ont été fabriqués. Ces biomatériaux sont pour une utilisation comme matrice extracellulaire synthétique dans l'ingénierie tissulaire des cordes vocales. La méthode de propagation des ondes de Rayleigh a été utilisée pour quantifier les propriétés viscoélastiques dépendant de la fréquence de ces hydrogels, y compris les modules de cisaillement et visqueux, sur une large gamme de fréquences, c'est à dire de 40 à 4000 Hz. Les propriétés viscoélastiques des hydrogels conçus sont similaires à celles du tissu pli vocal humain obtenu à partir in vivo et des mesures in vitro. Il est observé que la concentration de réticulation est le paramètre le plus commun pour régler les propriétés viscoélastiques des hydrogels basés sur l'acide hyaluronique conçus. L'acide hyaluronique et le contenu de gélatine de ces hydrogels sont les principaux paramètres à ajuster leurs propriétés biochimiques et biologiques, en tenant compte des changements dans les propriétés viscoélastiques des hydrogels.

Variable stiffness design of composites, where the fiber orientation changes within the plane of laminates, can improve the structural performance of the laminates, and provide a trade-off between design objectives. Laminates with variable stiffness design can be manufactured with Automated Fiber Placement (AFP) technology. During the manufacturing, certain defects, in the form of gaps and/or overlaps, often emerge and hence affect the structural performance of the composite laminates. The amount of change in structural properties depends on the laminates design and manufacturing parameters. Therefore, calculating the actual improvement in the structural properties of variable stiffness composite laminates, when the effect of defects is considered, has been a challenge. In this thesis, first, to fully exploit the benefits of variable stiffness design, simultaneous maximization of in-plane stiffness and buckling load for composite laminates with a constant curvature fiber path is investigated using a surrogate-based genetic algorithm. It is shown that varying the fiber orientation perpendicular to the loading direction can increase buckling load up to 111%. However, considering the minimum turning radius constraint imposed by AFP, the maximum achievable improvement in buckling load reduces to 57%, due to the limited fiber steering. Then, a methodology is developed to locate gaps and overlaps and calculate their area percentages. It is found that by increasing the number of tows inside a course, when the tow width is kept constant, the gap and overlap area percentages are significantly reduced. Smaller reductions in gap and overlap area percentages are obtained when the tow width increases and the number of tows is kept constant. Finally, a strategy, namely the Defect Layer Method, is proposed to build the Finite Element model of variable stiffness laminates with gaps and overlaps. This method is proved to be computationally efficient and more precise compared to the available method in the literature. Finite Element Analysis of two selected variable stiffness laminates is performed and it is found that overlaps increase their structural performance, while gaps deteriorate the mechanical properties. Considering the presence of overlaps, the maximum achievable improvement in buckling load can be increased to 105% compared to 56%, where the overlaps are ignored. Considering the presence of gaps within the laminate, the improvement in buckling load is limited to 40%. Modified Pareto fronts considering the effect of gaps or overlaps are obtained to provide important design guidelines of direct interest to industry. / La conception de composites à rigidité variable (où l'orientation des fibres change avec le plan du stratifié) peut améliorer les performances mécaniques du stratifié, et permettre un meilleur compromis dans les designs. Les stratifiés à rigidité variable peuvent être obtenus à l'aide du procédé de dépose automatique de fibres (AFP). Souvent, lors de la fabrication, certains défauts (espaces ou recouvrements) apparaissent et affectent les performances mécaniques du stratifié. La perte de propriétés mécanique dépend des paramètres de conception et des paramètres du procédé. Ainsi, l'objectif de ce travail de thèse est de prédire l'amélioration effective des propriétés mécaniques d'un composite stratifié à rigidité variable, en tenant compte de ces défauts. D'abord, afin d'exploiter maximum les bénéfices du design à rigidité variable, une optimisation du parcours de dépose permet de maximiser la rigidité dans le plan et la charge maximal admissible en flambage. Un rayon de courbure constant du parcours de dépose est étudié à l'aide d'un algorithme génétique. Les fibres orientées perpendiculairement à la direction de chargement peuvent augmenter la charge de flambage jusqu'à 111%. Toutefois, en considérant le rayon de courbure minimum admissible par la tête de dépose AFP, l'amélioration maximum réalisable en terme de charge de flambage se réduit à 57%. Ensuite, une méthodologie est développée pour localiser les espaces et les recouvrements et calculer leurs pourcentages surfaciques. Il est constaté qu'une augmentation du nombre de mèches par course, en conservant une largeur de mèche constante, réduit significativement le pourcentage d'espaces et recouvrements. Une réduction inférieure est obtenue si la largeur de la mèche est augmentée en conservant le même nombre total de mèches. Enfin, une stratégie, la méthode de la couche défectueuse (Defect Layer Method), est proposée pour construire un modèle d'éléments finis pour les composites à rigidité variable avec espaces et recouvrements. Cette méthode est efficace numériquement et plus précise que les méthodes proposées dans la littérature. Une analyse par éléments finis de deux matériaux composites à rigidité variable spécifique est proposée. Elle montre que les recouvrements améliorent les performances mécaniques tandis que les espaces les réduisent. En considérant le cas d'une dépose avec recouvrements, l'amélioration maximale réalisable en terme de charge de flambage est de 105% (à comparer à 56% lorsque les recouvrements sont ignorés). En considérant le cas d'une dépose avec espace, l'amélioration en charge de flambement est limitée à 40%. Des frontières d'efficacité de Pareto prennent en compte les effets des espaces et des recouvrements sont obtenues. Elles constituent d'importants principes de conception qui ont un intérêt direct pour l'industrie.

Continuum approaches for modeling lipid bilayers are developed and applied to two-phase lipid vesicles and discoidal high-density lipoprotein (HDL) particles. First, relying on a three-dimensional model, the mechanics of a lipid bilayer with spontaneous curvature is considered. Kinematics, material symmetry, stress relations, and coherency of lipid bilayer leaflets are discussed. Treating a lipid bilayer as a thin structure, the areal energy density of a lipid bilayer with spontaneous curvature is obtained using a dimension-reduction procedure. Attention is paid on the source of spontaneous curvature in the well known Canham–Helfrich energy density. Also, the effect of constitutive asymmetry of the leaflets on the areal energy density of a lipid bilayer is highlighted.Considering a two-phase vesicle as system of coexisting spherical domains, its equilibrium is studied using a simple continuum model. Multidomain and ground-state configurations are considered. Whereas in the former case multiple budded lipid domains coexist on a vesicle, in the latter case the vesicle is composed of two large lipid domains. Variations of the net potential-energy of a multidomain vesicle with the number of lipid domains and osmotic pressure are studied. Based on an energy comparison argument, two ground-state configurations corresponding to minimum energy levels are identified: pinched-off and complete sphere configurations. The results indicate that osmotic pressure and initial excess radius play key roles in the final shape of attaining ground-state configurations. The critical values of these parameters are identified. Lastly, the equilibrium and stability of a discoidal HDL particle are studied. A model in which the lipid bilayer and double-belt apoA-I components of discoidal HDL particle are represented by a material surface and a material curve perfectly bonded to the edge of the surface is proposed. The curvature energy and surface tension of lipid bilayer and the bending energy of apoA-I chain are included. Adopting a variational scheme, nonlinear equilibrium equations of a discoidal HDL particle in a general configuration are derived using both direct, geometrically-based and parametrized formulations. The linearized equilibrium equations of a flat circular HDL particle are obtained and its linear stability is investigated using the second variation method. An energy comparison method is applied and is found to offer a handy approach for ascertaining linear stability. Numerical results are provided for the equilibrium and stability of flat circular HDL particle. A stability plane indicating different stable and unstable regions of underlying dimensionless input parameters is provided. Possible pathways of stability change and instability mode shapes are identified. It is shown that the first transverse and planar instability modes resemble nonplanar saddle-like and planar elliptic shapes, respectively. / Des méthodes de milieux continus pour la modélisation de bicouches lipidiques sont développées et appliquées à des vésicules lipidiques à deux phases et à des particules discoïdes de lipoprotéines de haute densité (HDL). Tout d'abord, en s'appuyant sur un modéle tridimensionnel, la mécanique d'une bicouche lipidique possédant une courbure spontanée est considérée. La Cinématique, la symétrie matérielle, les relations de stress, et la cohérence de bicouches lipidiques sont discutées. En traitant une bicouche lipidique comme une structure mince, la densité d'énergie surfacique d'une bicouche lipidique ayant une courbure spontanée est obtenue à l'aide d'une procédure de réduction de dimension. L'attention est portée sur la source de courbure spontanée de la densité d'énergie bien connue de Canham–Helfrich. En outre, l'effet de l'asymétrie constitutive des sur la densité d'énergie surfacique d'une bicouche lipidique est mis en évidence. Considérant une vésicule à deux phases comme système de domaines sphériques coexistants, son équilibre est étudié à l'aide d'un modèle simple de milieu continu. Des configurations multi-domaines et de l'état fondamental sont considérées. Alors que, dans le premier cas, plusieurs domaines lipidiques bourgeonnés coexistent sur une vésicule, dans le dernier cas, la vésicule est composée de deux grands domaines lipidiques. La variation de l'énergie potentielle nette d'une vésicule multi-domaine en fonction du nombre de domaines lipidiques et de la pression osmotique est étudiée. En se basant sur la comparaison de l'énergie, deux configurations de l'état fondamental correspondant à des niveaux d'énergie minimaux sont identifiés: la configuration étranglée et la sphère complète. Les résultats indiquent que la pression osmotique et le rayon excédentaire initial jouent un rôle clé dans la forme finale des configurations à l'état fondamental. Les valeurs critiques de ces paramètres sont identifiées. Enfin, l'équilibre et la stabilité d'une particule HDL discoïde sont étudiés. Un modèle dans lequel la bicouche lipidique et les composants d'ApoA-I à double bande de la particule de HDL discoïde sont représentées par une surface de matériau et une courbe de matériau parfaitement collée sur le bord de la surface est proposé. L'énergie de courbure et la tension de surface de la bicouche lipidique ainsi que l'énergie de flexion de la chaîne apoA-I sont incluses. En adoptant un schéma variationnel, les équations d'équilibre non-linéaire d'une particule de HDL discoïdale dans une configuration générale sont calculées d'après des formulations directes, basées sur la géométrie, ou paramétrées. Les équations d'équilibre linéarisées d'une particule de HDL circulaire plane sont obtenues et sa stabilité linéaire est étudiée en utilisant la seconde méthode de variation. Une méthode de comparaison de l'énergie est appliquée et se trouve à offrir une approche pratique pour déterminer la stabilité linéaire. Des résultats numériques sont présentés pour l'équilibre et la stabilité des particules de HDL circulaires planes. Un plan de stabilité indiquant différentes régions stables et instables des paramètres d'entrée adimensionnels sous-jacents est fourni. Certaines possibilités de changement de stabilité et les formes modales d'instabilité sont identifiées. Il est démontré que les premiers modes d'instabilité transversale et plane ressemblent aux formes de selle non planes et d'ellipse plane, respectivement.