Thèse ou mémoire avec insertion d'articles. / Ce mémoire présente le développement, à l'aide de simulations numériques d'écoulement, d'une méthode de contrôle des tourbillons en colonne dans une turbine hydraulique axiale de vitesse spécifique élevée opérée en marche à vide. Les observations sur le développement des tourbillons en colonne ont été généralisées à la géométrie d'une turbine Francis de vitesse spécifique moyenne. La roue, qui en raison de son emplacement et de sa géométrie vient interagir avec les tourbillons en colonne, a été retirée de la simulation instationnaire. La zone de recirculation obtenue sans la roue est pratiquement inchangée et des tourbillons en colonne ont été observés. Cela suggère que les tourbillons en colonne dans les turbines axiales et les tourbillons inter-aubes dans les turbines Francis sont liés à la même instabilité hydrodynamique. Selon la géométrie et les paramètres d'opération, différents modes de l'instabilité seraient excités. L'existence des tourbillons en colonne ne semble donc pas sensible à la forme du canal méridien, mais plutôt à la quantité de swirl injectée. Pour contrôler les tourbillons en colonne, le swirl injecté dans la roue est réduit en augmentant l'angle d'ouverture des directrices. Deux mécanismes générant des pertes de charge supplémentaires dans l'écoulement ont été développés pour recréer les conditions d'opération en marche à vide à grande ouverture des directrices. Les mécanismes, similaires à des volets sur des ailes d'avion, sont installés sur les directrices. Des simulations numériques instationnaires SAS-SST ont montré que les deux mécanismes ont permis d'éliminer les tourbillons en colonne dans l'entrefer et dans la roue. Au lieu de cela, six tourbillons inter-aubes co-rotatifs ont été obtenus dans la roue. Aucune structure dommageable n'a été identifiée dans l'aspirateur. Les fluctuations de pression dans la roue et les fluctuations de couple sur les aubes ont été significativement réduites, prouvant ainsi la validité du concept de volets sur les directrices. / This thesis presents the development, using numerical flow simulations, of a mitigation method against columnar vortices in a high-specific-speed axial hydraulic turbine operated at speed-no-load. Observations regarding the development of columnar vortices were generalized to the geometry of a Francis turbine with a medium specific speed. The runner, due to its location and geometry, interacts with the columnar vortices. It was removed from the unsteady simulation. The backflow obtained without the runner is practically unaffected, and columnar vortices were observed in the meridional channel. This suggests that columnar vortices in axial turbines and inter-blade vortices in Francis turbines are linked to the same hydrodynamic instability. Depending on the geometry and operating parameters, different modes of instability would be excited. Therefore, the existence of columnar vortices does not seem to be sensitive to the shape of the meridional channel, but rather to the amount of swirl injected. To mitigate the columnar vortices, the swirl injected into the runner is reduced by increasing the guide vanes opening angle. Two mechanisms that generate additional pressure losses in the flow were developed to recreate the operating conditions at speed-no-load with a larger guide vane opening angle. The mechanisms, similar to spoilers on airplane wings, are installed on the guide vanes. Unsteady SAS-SST numerical simulations showed that the two mechanisms eliminated columnar vortices in the vaneless space and the runner. Instead, six co-rotating inter-blade vortices are obtained in the runner. No damaging structures were identified in the draft tube. The pressure fluctuations in the runner and the blade torque fluctuations were significantly reduced, thus proving the validity of the concept of spoilers on the guide vanes.

Au sein du réseau alimentaire arctique, la morue arctique (Boreogadus saida) est le lien trophique principal entre le zooplancton et les prédateurs supérieurs tels que les phoques et les oiseaux marins. Un mode de vie associé à la glace et une physiologie spécialisée en font une espèce particulièrement vulnérable à la réduction prédite de la banquise et au possible envahissement de sa niche écologique par des espèces généralistes boréales. Dans le contexte actuel de réchauffement climatique, particulièrement intense dans l’Arctique, la connaissance des facteurs contrôlant le devenir de cette espèce clé est essentielle. Le but de cette thèse est l’identification des processus nécessaires et suffisants à inclure dans un modèle mathématique pour simuler de façon réaliste la croissance et la survie du stade larvaire de ce poisson. Un modèle individu-centré a été développé et validé à l’aide d’observations recueillies dans la polynie des eaux du Nord (Baie de Baffin) et la polynie des eaux du Nord-est (Mer du Groenland). La température, la concentration et la qualité des proies ont dû être prises en compte pour reproduire la croissance observée et ses différences régionales. La pression de prédation a été simulée à l’aide d’une mortalité taille- et croissance-dépendante qui a permis l’élimination sélective des individus petits et croissant lentement. Le modèle a également pris en compte la date d’éclosion des individus afin de reproduire les différences dans la trajectoire de vie entre les individus ayant éclos avant et après l’ouverture de la polynie. Ainsi, les larves hâtives ont crû plus lentement que les larves tardives en raison des faibles températures, mais cette tendance s’inversait si l’épuisement des réserves vitellines des larves hâtives coïncidait avec une période de concentration élevée de proies. Une méthode inédite de sous-échantillonnage des résultats du modèle prenant en compte l’âge, la date d’éclosion et la position géographique des individus capturés in situ, reproduisit les discontinuités inévitablement présentes dans les observations in situ. Cette méthode a amélioré la validation du modèle, permis l’identification de ses faiblesses et indiqué de nouvelles directions de recherche. Le sous-échantillonnage des résultats du modèle peut servir à une vaste gamme d’applications dans le domaine de la modélisation individu-centrée et est applicable a tout modèle tentant de simuler des organismes pouvant être âgés. / Within the Arctic food web, Arctic cod (Boreogadus saida) is the dominant trophic link between zooplankton and higher predators such as seals and sea-birds. An ice-dependent lifestyle and a specialized physiology make this species particularly vulnerable to the predicted reduction in ice-cover and the potential invasion of its ecological niche by boreal generalists. With the unfolding of climate warming which is particularly intense in the Arctic, it is essential to document the factors that control the fate of this key species. The primary focus of this thesis is the identification of the necessary and sufficient processes required in a mathematical model to realistically simulate the growth and survival of the larval stage of Arctic cod. An individual-based model was developed and validated with observations collected in the North Water (Baffin Bay) and the Northeast Water (Greenland Sea). Temperature, as well as the concentration and quality of prey were necessary to reproduce observed growth and its regional differences. Predation pressure was simulated using a length- and growth-dependent mortality which allowed the selective elimination of small and slow-growing individuals. The model took into account the hatch-date of individuals to reproduce differences in life trajectory among individuals hatched before and after the polynya opened. For instance, early hatchers grew slower than late hatchers due to lower temperatures, but this trend was reversed if the yolk exhaustion of early hatchers coincided with high prey concentrations. A novel method of model output sub-sampling accounting for the age, hatch-date and geographical position of individuals captured at sea, reproduced the inevitable discontinuities that plague field observations. This method improved model validation, allowed weaknesses to be identified and highlighted new research directions. The model output sub-sampling has wide-ranging applications in individual-based modeling and is applicable to any model attempting to simulate organisms that can be aged.

Avec la constellation actuelle du système GPS, les solutions RTK (Real Time Kinematic) sont limitées à des distances de lignes de base ne dépassant guerre une distance approximative d'une dizaine de kilomètres. Cette limitation provient avant tout de l'effet néfaste de l'ionosphère sur la résolution des ambiguïtés. Les multitrajets représentent également un autre facteur contribuant à la dégradation de la qualité des mesures et dont l'influence sur la résolution des ambiguïtés est moins prononcée que celle de l'effet ionosphérique. Dans un futur proche, la modernisation du système GPS (par l'ajout d'une 3ème fréquence) et le déploiement du système européen GALILEO introduira une amélioration substantielle. / Le présent travail consiste à évaluer de faıcon systématique le potentiel des futurs systèmes GNSS (GPS, GALILEO et HYBRIDE) en terme de résolution instantanée des ambiguïtés de phase. Pour parvenir à cet objectif, un simulateur sous forme de logiciel informatique a été développé permettant de tester différents scénarios en fonction de la constellation, des fréquences et de l'activité ionosphérique. Suite aux différentes simulations réalisées, les résultats obtenus ont montré que la résolution instantanée des ambiguïtés sera désormais aussi possible sous des conditions ionosphériques et de multitrajets défavorables ce qui ouvrira la voie à de nouvelles applications GNSS.

Le comportement du mur de soutènement soumis à une excitation dynamique a été l'objet de nombreuses recherches. La première méthode est l'approche de Mononobe-Okabe (1929). Après cette méthode, plusieurs méthodes et approches ont été développées, notamment les approches pseudo-statiques et pseudo-dynamiques pour les murs libres, et l'approche de Wood (1973) pour les murs fixes. Ce mémoire présente une étude (2D) statique et dynamique d'un mur de soutènement qui soutient un remblai sableux. Le mur est considéré immobile à l'extrémité extérieure, tandis qu'à l'extrémité intérieure, il se déforme pour créer un domaine élastique dans le massif sableux. La réalisation de cette étude est assurée par des séries de simulations numériques avec les méthodes des éléments finis sous le logiciel commercialisé COMSOL. L'hypothèse sur le sable est un sol sec dont le contenu d'eau est nul. La validation du modèle est faite avec la comparaison des résultats obtenus avec ceux de Wood (1973), dans la littérature. Les analyses des domaines stationnaires, temporaires et fréquentielles ont été utilisées dans les différentes simulations dans COMSOL. Les principaux paramètres, qui ont été étudiés, sont : le coefficient de poisson, la longueur du remblai, la fréquence d'excitation, la rigidité verticale de l'élément d'interface, l'amortissement, les forces de gravité et l'amplitude d'excitation. Les résultats obtenus ont démontré que les pressions de tensions de Von Mises croissent avec l'augmentation du coefficient de poisson et de la longueur du remblai. La rigidité verticale d'élément d'interface engendre des tensions dans le domaine élastique principalement dans la partie supérieure du mur. L'absence de force de gravité constitue le cas le plus défavorable, surtout dans le volet dynamique pour le mur rugueux. C'est toutefois le contraire pour le mur lisse. L'étude fréquentielle a permis de déterminer que le système a un contenu fréquentiel bas. L'accélération spectrale a mis le point sur les caractéristiques de notre système, soit la période et la fréquence naturelles du système. / The behavior of the retaining wall under dynamic excitation has been the subject of many researches. The first method is the approach of Mononobe-Okabe (1929). After this method, several methods and approaches have been developed, including pseudo-static and pseudo-dynamic approaches for free walls, and Wood's (1973) approach for a fixed wall. This work presents a static and dynamic (2D) study of a retaining wall that supports a dry sand embankment. The wall is considered motionless at the outer end, while at the inner end, it deforms to create an elastic domain in the sandy mass. The realization of this study is ensured by a series of numerical simulations with finite element methods under the COMSOL software. The hypothesis on the sand is a dry soil whose water content is zero. The validation of the model is done with the comparison of the results obtained with those of Wood (1973) in the literature. Stationary, temporary and frequency domain analysis were used in the different simulations in COMSOL. The main parameters that have been studied are the poisson coefficient, the length of the backfill, the excitation frequency, the vertical stiffness of the interaction element, soil damping, the gravitational forces and the amplitude of the excitation. The results obtained showed that Von Mises stress pressures rise with the increase in the Poisson coefficient and the length of the embankment. The vertical rigidity generates tensions in the elastic domain mainly in the upper part of the wall. The absence of force of gravity constitutes the most unfavorable case especially in the dynamic shutter for the rough wall. It is, however, the opposite case for the smooth wall. The frequency study showed that the system has a low frequency content. The spectral acceleration has given the characteristics of our system; the period and the natural frequency of the system.

Dans ce mémoire, des questions associées à la simulation en régime transitoire et à l'intégration au réseau de distribution d'une génératrice asynchrone privée (« NUIG : Non-Utility Induction Génération ») sont étudiées. L'objectif de ce travail est de vérifier l'influence de différents facteurs tels le niveau et l'emplacement de la charge et de la compensation capacitive ainsi que le type de charge sur les phénomènes d'auto-excitation de la génératrice asynchrone et les surtensions indésirables qui résultent d'un défaut et/ou d'une condition d'îlotage. Les résultats de simulation montrent que les phénomènes d'auto-excitation semblent très complexes et multidimensionnels et ils impliquent l'interaction de différents facteurs. Les courbes obtenues dépendent fortement des spécifications du système et il est difficile de dériver des critères précis qui puissent être appliqués de façon générale à tous les cas d'intégration de la génération asynchrone au réseau. Cependant, des principes directeurs pratiques pour limiter l'occurrence de l'auto-excitation ont été dérivés et selon ces principes directeurs, un système de protection et un réglage de rélai recommandés sont présentés pour l'interconnexion de génératrices asynchrones privées (« NUIG ») au réseau de distribution. / In this thesis, some topics related to the dynamic simulation and operations of Non-Utility Induction Generation (NUIG) are investigated. The objective of this thesis is to put focus on the influence of different factors such as load and capacitive compensation levels and positions as well as load type on induction generator self-excitation phenomenon and related overvoltages, resulting from a fault and/or an unwanted islanding condition. The results of simulations showed the self-excitation phenomenon appear to be very complex and multidimensional and implying the interaction of many different factors. The obtained curves and behaviors highly depend on the system specifics, and it is difficult to drive precise criteria applicable in a general manner to ail cases of generation’s integration. However, practical guidelines to limit the occurrence of self-excitation have been derived and, as per these guidelines, recommended protection System and relay settings are presented for interconnection of NUIGs to the distribution networks.

Dans les régions nordiques, l’une des conséquences du réchauffement climatique est le dégel du pergélisol. En plus de favoriser la libération de quantités importantes de méthane et de dioxyde de carbone dans l’atmosphère, le dégel du pergélisol entraînera une modification des conditions hydrologiques locales et régionales, affectant ainsi les écosystèmes. Ce dégel pourra aussi conduire à un affaissement des sols et endommager ainsi les infrastructures routières. Dans le cadre de cette étude, des simulations numériques couplant l’écoulement des eaux souterraines et le transport de chaleur ont été réalisées dans le but de mieux appréhender les interactions entre l’écoulement des eaux souterraines et la dynamique thermique relative au dégel du pergélisol sur les pistes de l’Aéroport d’Iqaluit, Nunavut, Canada. Un modèle conceptuel du site est d’abord développé et le modèle numérique bidimensionnel correspondant est calé à partir des températures observées du sol. Les impacts futurs du réchauffement climatique sur le régime thermique et le système d’écoulement, aussi que le tassement dû au dégel, sont ensuite simulés sur la base des scénarios climatiques proposés par le Groupe Intergouvernemental sur l’Évolution du Climat (GIEC). Dans le cadre d’un réchauffement climatique, la couverture neigeuse de surface est identifiée comme le facteur principal affectant la dégradation du pergélisol, y compris par son rôle dans l’accroissement de la sensibilité de la dégradation du pergélisol aux changements de divers facteurs hydrogéologiques. Dans ce cas, le transfert de chaleur par advection joue un rôle relativement mineur, quoique non négligeable, vis-à-vis du transfert de chaleur par conduction, du fait de l’extension importante d’un sol de faible perméabilité à proximité de la surface. Le transfert de chaleur par convection, qui est fortement influencé par la couche de neige superficielle, contrôle la libération de l’eau non gelée et la profondeur de la couche active aussi bien que l’amplitude du tassement et du soulèvement par le dégel. L'effet de la zone non saturée sur le dégel du pergélisol est plus important dans les sols fins, recouverts de neige en surface. De plus, l’ampleur du tassement dû au dégel augmente considérablement en présence d’une couverture neigeuse. Enfin, les simulations ont montré que, le long de routes, les zones les plus vulnérables au tassement sont les accotements recouverts de neige ainsi que les zones de transition adjacentes au bloc de pergélisol. Les simulations numériques ont également montré l’importance d’utiliser les fonctions de gel appropriées pour les types de sols impliqués. En effet, la position du front de gel (couche active) varie en fonction des caractéristiques du sol. Les résultats des simulations ont également mis en évidence les effets d'une distribution stochastique de la conductivité hydraulique sur l’advection thermique. Les taux de dégel du pergélisol sont relativement plus élevés dans des zones de haute perméabilité, trouvées dans la structure du sol d'un système hétérogène, que dans le cas d’un sol homogène. Paradoxalement, les résultats ont montré que dans les zones de décharge, le transport de chaleur par advection a pour conséquence d'augmenter le plafond du pergélisol. En effet, l'eau froide s'écoulant dans ce secteur annule le gain de chaleur résultant du processus de conduction. / At high northern latitudes, climate warming will induce permafrost degradation that will modify local and regional hydrogeological systems and ecosystem functionality, as well as increase the release of carbon and methane to the environment. Northern infrastructure, in particular roads and embankments, will also experience significant degradation. In this study, numerical simulations of coupled groundwater flow and heat transport have been developed to assess the effects of realistic combinations of hydrogeological parameters and surface conditions on the temporal and spatial evolution of permafrost degradation in a cold-region paved terrain, at the Iqaluit airport, Nunavut. A conceptual model is first developed for the site and a corresponding 2D numerical model is calibrated to the observed groundwater flow and thermal regime. Future climate warming impacts on the thermal regime and flow system, as well as thaw settlements are then simulated based on climate scenarios proposed by the IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change). Under climate warming, the surface snow cover is identified as the leading factor affecting permafrost degradation, and significantly contributes to positive feedback between the hydrogeological flow system and the frozen ground. In this case, advective heat transport plays a relatively minor, but non-negligible role compared to conductive heat transport, due to the significant extent of low-permeability soil close to surface. Conductive heat transport, which is strongly affected by the surface snow layer, controls the release of unfrozen water and the depth of the active layer as well as the magnitude of thaw settlement and frost heave. The effect of the unsaturated zone on permafrost thaw was most important in finer soil where overlain by snow. The magnitude of thaw settlement also significantly increases with a snow cover. The most vulnerable areas to permafrost thaw settlement along a road or taxiway embankment would be the snow-covered shoulders, as well as the transition zones at the adjacent margins of the permafrost block. The simulation results also showed the importance of selecting the appropriate freezing function based on the type of soil, when frequent freezing and thawing cycles occur in a permafrost setting. The thaw front simulated with a smooth (low slope) freezing function, was deeper compared to that for a steeper freezing function. The simulation results also highlighted the contributing effects of a stochastic hydraulic conductivity distribution on thermal advection. Permafrost thaw rates in high permeability zones, found in the soil structure of a heterogeneous system, are larger than rates for a homogeneous soil. Advective heat transport can paradoxically also increase the permafrost table in downgradient areas where the flowing cold water negates heat gain from conduction alone.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2010-2011 / L'objectif du présent travail était de vérifier, par simulations informatiques, l'impact d'une augmentation du taux de prolificité sur la rentabilité de l'entreprise ovine québécoise. Plusieurs sources de données ont été utilisées afin de bâtir quatre troupeaux dont les niveaux de prolificité variaient de 1,5 à 2,4 agneaux nés par agnelage. Ces troupeaux ont été simulés à l'aide d'un logiciel développé spécifiquement pour le projet. Les simulations ont permis de montrer qu'une hausse de la prolificité de 1,5 à 2,4 agneaux nés par agnelage permet une amélioration annuelle de la marge brute de près de 24 000 $. À la lumière des résultats de l'analyse de sensibilité, il est possible d'affirmer que cette relation est légèrement sensible aux changements apportés au contexte de production.

Ce mémoire porte sur l’étude d’un algorithme Monte Carlo en curiethérapie à bas débit de dose sur processeur graphique. Avec le développement de cette plate-forme de calcul, l’application de la méthode Monte Carlo fait un pas en avant quant à son utilisation clinique dans un département de radio-oncologie. Le travail se déroule en deux parties. Premièrement, le développement d’un algorithme Monte Carlo sur processeur graphique, bGPUMCD, est poursuivi dans le but d’en améliorer les performances. Deuxièmement, une source de curiethérapie à bas débit de dose, la SelectSeed de Nucletron, est simulée et étalonnée pour être en accord avec les données du rapport du Task Group 43 de l’American Association of Physicists in Medicine. Avec cette source, quatre cas cliniques sont ensuite simulés pour montrer la concordance des résultats avec un autre algorithme Monte Carlo bien établi et évaluer les temps de calcul pour une éventuelle utilisation clinique de l’algorithme.

La curiethérapie à haut débit de dose utilisant un projecteur de source d’Ir-192 peut être utilisée efficacement dans le traitement d’une tumeur gynécologique maligne. Le traitement peut être interstitiel ou endocavitaire, dépendamment des caractéristiques de la tumeur et de l’anatomie de la patiente. En clinique, la dosimétrie est faite par l’application du formalisme TG-43. Le but de cette étude est d’évaluer à l’aide de simulations Monte Carlo (MC) l’impact dosimétrique lors d’un traitement interstitiel de la présence d’un applicateur et de poches d’air dans le volume cible en plus des hétérogénéités tissulaires. Les effets du blindage et du diamètre de l’applicateur dans un traitement endocavitaire ainsi que l’effet de la voxelisation ont aussi été évalués. Dans tous les cas, la dosimétrie a été réalisée à l’aide de la suite logicielle MC Geant4. Les résultats ont démontré que, dans certaines situations, les simulations MC mènent à des corrections significatives de la dose. / High dose rate brachytherapy using an Ir-192 remote afterloader can be successfully used in the management of gynecologic malignancies. Treatment can be either interstitial or endocavitary depending of the tumor caracteritics and patient’s anatomy. Clinically, the dosimetry is made through the application of the TG-43 formalism. The purpose of this study is to assess with Monte Carlo (MC) method and for an interstitial treatment dosimetric effects of the presence of the applicator and air pockets in clinical target volume and organs at risk along with tissue heterogeneities. As a related work, assessment of the effects of shielding and applicator diameters on the dose distribution of intracavitary treatment and voxelisation effects of the applicator in an interstitial treatment has been performed. In all cases, dosimetry has been achieved with the Geant4 MC toolkit. Results have shown that, in some situations, MC simulations lead to significant dose corrections.

Tableau d'honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2006-2007 / Une solution de plus en plus courante pour appuyer les forces militaires déployées en milieu urbain consiste à utiliser des plates-formes robotisées pour la réalisation des tâches présentant un niveau de risque important. Dans cette optique, les travaux de recherche présentés dans ce mémoire ont permis de développer un système exploitant un capteur volumétrique 3D pour effectuer la modélisation d'environnements urbains et l'exploration efficace de ceux-ci à l'aide d'une plate-forme mobile autonome. Un aspect important de ce projet est que, le modèle 3D de l'environnement étant préservé sous forme d'octree multirésolution tout au long du processus, les modules de cartographie, d'exploration et de navigation qui composent la plate-forme mobile peuvent y avoir accès en tout temps afin d'effectuer leurs tâches respectives. À partir des résultats obtenus pour des tests effectués en simulation et dans un environnement réel, il a été possible de valider que le système développé permet d'explorer un environnement de façon autonome tout en générant de façon simultanée un modèle 3D complet de l'espace parcouru.