Afin de contribuer au développement des connaissances et de l’industrie des énergies renouvelables hydrocinétiques, un nouveau projet de recherche à long terme a débuté récemment au Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. Ce projet porte sur l’optimisation de la configuration des parcs de turbines hydroliennes. Comme les techniques de modélisation se rapportant aux parcs de turbines n’ont été que peu étudié au LMFN par le passé, les objectifs du présent travail sont d’identifier une méthodologie de modélisation numérique permettant l’étude de parcs hydroliens à coût de simulation raisonnable et d’en vérifier la fiabilité. Inspirée de modèles numériques retrouvés dans la littérature scientifique disponible, une approche originale a été développée. Elle porte le nom de Effective Performance Turbine Model, ou EPTM. La fiabilité de cette approche de modélisation est évaluée par rapport à sa capacité à prédire correctement les performances moyennes des turbines ainsi que leur sillage. Des résultats de simulations numériques « haute-fidélité » qui incluent à grand coût la géométrie complète des turbines sont utilisés en guise de référence. La comparaison des prédictions de l’EPTM avec les résultats de référence démontre que cette approche de modélisation est appropriée tant pour les turbines à axe horizontale que celles à axe vertical opérant dans des conditions d’écoulement propre. En effet, de très bonnes prédictions de la vitesse de rotation optimale de la turbine, de son chargement moyen et de la puissance extraite sont obtenues avec l’EPTM. Le modèle permet aussi de bonnes prédictions du sillage rapproché de chacune des turbines étudiées. Par contre, l’approche stationnaire de modélisation de la turbulence utilisée au sein des simulations de l’EPTM se montre inefficace dans certains cas. De possibles raffinements au modèle sont discutés en guise de conclusion. / In order to contribute to the development of the hydrokinetic power industry, a new line of research has been initiated recently at the Laboratoire de Mécanique des Fluides Numérique (LMFN) de l’Université Laval. It is related to the optimization of turbine farm layouts. As the numerical modeling of turbine farms has been little investigated in the past at the LMFN, the objectives of this work are to develop a numerical methodology that will allow the study of turbine farm layouts at reasonable simulation cost and to verify its reliability. Inspired from numerical models found in the available literature, an original modeling approach is developed. This modeling approach is referred-to as the Effective Performance Turbine Model, or EPTM. The EPTM reliability is assessed in terms of its capacity to predict correctly the mean performances and the wake recovery of the turbines. The results of “high-fidelity” CFD simulations, which include at high cost the complete rotor geometry, are used as a reference. Results of the performance assessment show that the EPTM approach is appropriate for the modeling of both axial-flow (horizontal-axis) turbines and cross-flow (vertical-axis) turbines operating in clean flow conditions. Indeed, the EPTM provides very good predictions of the value of the optimal angular speed at which the rotor should be rotating to operate near maximum power extraction, the magnitude of the mean forces acting on the turbine and the mean power it extracts from the flow. The EPTM also succeeds to generate the adequate nearwake flow topology of each of the reference turbine investigated. However, the steady turbulence modeling approach used in the EPTM simulations appears inadequate in some cases. Possible model improvements are discussed as a conclusion.

Cette thèse étudie les forces potentielles des mécanismes parallèles plans à deux degrés de liberté équipés d'embrayages de sécurité (limiteur de couple). Les forces potentielles sont étudiées sur la base des matrices jacobienne. La force maximale qui peut être appliquée à l'effecteur en fonction des limiteurs de couple ainsi que la force maximale isotrope sont déterminées. Le rapport entre ces deux forces est appelé l'efficacité de la force et peut être considéré ; comme un indice de performance. Enfin, les résultats numériques proposés donnent un aperçu sur la conception de robots coopératifs reposant sur des architectures parallèles. En isolant chaque lien, les modèles dynamiques approximatifs sont obtenus à partir de l'approche Newton-Euler et des équations de Lagrange pour du tripteron et du quadrupteron. La plage de l'accélération de l'effecteur et de la force externe autorisée peut être trouvée pour une plage donnée de forces d'actionnement. / This thesis investigates the force capabilities of two-degree-of-freedom planar parallel mechanisms that are equipped with safety clutches (torque limiters). The force capabilities are studied based on the Jacobian matrices. The maximum force that can be applied at the end-effector for given torque limits (safety index) is determined together with the maximum isotropic force that can be produced. The ratio between these two forces, referred to as the force effectiveness, can be considered as a performance index. Finally, some numerical results are proposed which can provide insight into the design of cooperation robots based on parallel architectures. Considering each link and slider system as a single body, approximate dynamic models are derived based on the Newton-Euler approach and Lagrange equations for the tripteron and the quadrupteron. The acceleration range or the external force range of the end-effector are determined and given as a safety consideration with the dynamic models.

Le sommeil à ondes lentes est composé d’une alternance entre un état actif et un état silencieux dans le système thalamocortical. Les mécanismes produisant l’état actif et l’état silencieux sont inconnus. Afin d’étudier l’origine des états actifs, nous avons procédé à l’enregistrement intracellulaire simultané de 2 à 4 neurones dans un environnement local (< 200μm) et dans un environnement distant (jusqu’à 12mm). Aussi, nous avons procédé à l’enregistrement simultané de potentiels de champ locaux (jusqu’à 16). Ces expériences ont été menées chez le chat anesthésié et chez le chat non-anesthésié. Nous avons trouvé que les cellules à bouffées de potentiels d’action ainsi que les cellules situées profondément ont tendance à être les premières à entrer dans l’état actif. Aussi, nous avons observé une grande variabilité dans les délais d’activation des cellules et ce, qu’elles soient situées près l’une de l’autre ou qu’elles soient distantes. De plus, nous avons observé que le déclenchement de l’état silencieux était beaucoup plus synchrone que le déclenchement de l’état actif. / The slow-wave sleep is composed of an alternating period of active and silence state in the thalamocortical system. The mechanisms producing the active and silence state are unknown. In order to investigate the origin of active states, we performed simultaneous intracellular recording of 2 to 4 closely located (< 200μm) neurons and in a distant environment (up to 12mm). In addition, we performed simultaneous local field potentials (up to 16) recordings. These experiments were conducted on anesthetized and nonanesthetized cats. We found that Intrinsically-Bursting cells and deeply located cells have tendency to lead in the onset of the active state. We also observed a high, but similar, variability in the activation delay for closely located cells as well as for distantly located cells. In addition, we observed that the onset of silent state is much more synchronous than the onset of active state.

Cette étude développe une plate-forme mathématique allant de la création d’une base de connaissances à la mise en place d’un modèle adaptatif. Une nouvelle approche en ce qui concerne la modélisation du four rotatif du clinker a été nécessaire pour mener à bien notre étude. Ainsi, un modèle d’état du système aux paramètres repartis, à la base des phénomènes physico-chimiques, a été conçu à l’aide d’équations aux dérivées partielles. La structure du modèle est basée sur trois variables d’état qui peuvent décrire correctement les principaux phénomènes (diffusions, déplacements, transferts et échanges thermiques, etc.) qui se déroulent dans le four rotatif de clinker. En outre, ces variables d’état sont accessibles à travers des paramètres mesurables tels que les températures de la surface extérieure du four et de l’air ambiant. Les paramètres du modèle proposé sont des fonctions de trois variables d’état, qui tout en remplaçant les paramètres mal connus et inaccessibles, décrivent les phénomènes physicochimiques qui caractérisent la complexité du système et sont définis comme des fonctions opératoires. Cette approche permet non seulement de minimiser les erreurs (hypothèse de simplification) mais aussi permet un accès facile et aisé des paramètres. Nous avons élaboré une procédure d’identification basée sur des analyses phénoménologique et dimensionnelle. Ainsi, à partir de données issues d’un complément d’instrumentation associé à la base de connaissances, l’identification des fonctions opératoires (paramètres) a été effectuée à partir d’un état stationnaire du système qui représente notre condition initiale. Cette opération est importante dans la mesure où elle donne aux paramètres du modèle les propriétés de la dynamique du système. Ces résultats sont corroborés par les estimations des variables d’état dont les valeurs et évolutions sont acceptables. Après l’évaluation de l’influence des fonctions opératoires sur les variables d’état, une modélisation des paramètres (fonctions opératoires) du modèle a été proposée à la base d’une décomposition physique à la lumière des connaissances fournies dans la littérature. Une procédure d’ajustement a été également développée afin de pouvoir fournir des variables d’état optimales. Ainsi, l’erreur peut être compensée par ajustement des fonctions opératoires. Par conséquent, à travers la rapidité de la procédure d’ajustement et l’adaptation des paramètres du modèle dans un horizon de temps bien déterminé, le modèle renferme les caractéristiques d’un modèle adaptatif qui pourra être un support essentiel dans la commande automatique du système. / This study develops a mathematical platform going from the establishment of a knowledge database to the setting up of an adaptive model. This has required a new approach of modeling of the clinker rotary kiln (CRK). Thus, a state model of distributed parameter systems, based on physico-chemical phenomena, was designed using partial differential equations. The model structure is based on three state variables which are: the gas, clinker temperatures and the clinker mass distributions, and are elaborated with the help of heat, pressure and mass balance equations. The model parameters are defined by the functions of three state variables. Moreover, the resulting state model, decomposed into five phenomenological zones of CRK, is used as a first step to define a set of Operating Functions (OFs). These OFs has also been decomposed into longitudinal distribution of CRK to replace the constant, unknown or unmeasured parameters. We develop an identification procedure based on phenomenological and dimensional analysis where the identification of operational functions (model parameters) was performed from a stationary state of the CRK. Once the restores state variables have been evaluated, the desired input (which is treated as the control of the CRK) can be more easily found by the proposed model than by simple trial and error. Moreover, the fact that the computation time, to estimate-calibrate the OFs above-mentioned, is very short, then this dynamic computation works faster than real-time. In summary, the cooperation and coordination in real-time between industrial computers and the CRK allows for an adaptable model, where each specific set of the OFs must be analyzed by its accuracy.

Ce mémoire expose les différentes opportunités d'implantation de matériaux à changement de phase (PCM) dans des zones thermiques intégrées à des bâtiments. Les avantages inhérents à l'emploi de PCM sont analysés dans l'optique de réduction de la consommation d'énergie dans les systèmes CVAC (Chauffage, Ventilation et Air Conditionné). Le travail est divisé en deux parties renvoyant chacune à un article scientifique. Le premier article analyse les impacts et les bénéfices de galvaniser la masse thermique d'une zone en y incluant des PCM. L'étude illustre en premier lieu l'influence prépondérante de l'inertie thermique sur les performances thermiques de la zone, et les possibilités d'optimisation qui en découlent. L'ajout de PCM dans la zone est ensuite formellement optimisé pour deux cas de figure distincts, à savoir l'imposition de conditions climatiques idéalisées ou réelles à la zone. Pour ces deux contextes, on démontre qu'intégrer à la surface de la zone une quantité de PCM correspondant à une fraction de son épaisseur, à une température de fusion d'environ 26°C, augmente significativement les performances de la zone (20% en moyenne). Les calculs sont effectués selon trois fonctions objectives différentes, dont la complexité et la perspective d'optimisation varient. Le chapitre suivant, où le deuxième article est présenté, étend l'analyse décrite ci-dessus à une zone tridimensionnelle. Autrement dit, il est possible d'intégrer du PCM sur le plancher, les murs, le plafond et la façade de la zone à l'étude. Les dimensions, la fenestration, la composition et l'orientation de la zone sont entièrement modulables ; dans le cadre de ce chapitre, l'analyse est restreinte à un cas particulier et démontre que si elle est judicieusement incluse, une faible quantité de PCM peut avoir des retombées énergétiques considérables sur les performances thermiques de la zone. À l'inverse, certaines configurations où l'on inclut du PCM s'avèrent peu performantes et même en deçà des résultats observés sans PCM. Ce travail conjugue une compréhension fondamentale des PCM avec une analyse scientifique rigoureuse, de manière à montrer l'étendue du potentiel de ces matériaux.

Les marchés financiers sont souvent sujets à d’importantes perturbations, les plus récentes ayant été observées lors de la crise financière de 2008. Ces perturbations peuvent être qualifiées de stress financier, qui se définit comme une interruption du fonctionnement normal des marchés financiers. Ce mémoire propose de mesurer le stress du marché financier canadien, en s’inspirant de l’analyse effectuée par KLIESEN et SMITH [2010] pour les États-Unis. Ces auteurs, qui travaillent à la Réserve fédérale de Saint-Louis, proposent une approche basée sur une analyse en composante principale. Nos résultats montrent que le stress sur les marchés canadiens a une évolution similaire à celui des États-Unis. Un test de causalité de Granger indique que le stress financier américain cause du stress financier sur le marché canadien. Par la suite, la méthode d’analyse en composantes principales non linéaire par noyau (KPCA) est utilisée sur les données américaines et canadiennes. Cette nouvelle méthodologie permet de mieux illustrer le comouvement entre les séries temporelles, lorsque l’on admet des corrélations potentiellement non linéaires. Les résultats montrent que cette nouvelle méthode permet d’obtenir des graphiques dont le bruit est réduit, et avec des structures mieux définies. L’amplitude des évènements de stress est changée, mais l’indice garde la même évolution qualitative. / Financial markets are often affected by important perturbations, as witnessed during the 2008 financial meltdown. These perturbations can be seen as a form of financial stress and are defined as an interruption of normal working financial market. This thesis proposes to measure the financial stress in the Canadian market, using a principal component methodology used by the Saint-Louis Federal Reserve (KLIESEN and SMITH [2010]). Our results show that the financial stress occurring on the Canadian market is stongly related to financial stress: notably US financial stress granger causes financial stress on the Canadian market. Additionally, we use a kernel principal component analysis (KPCA) on both US and Canadian data, to account for second and third degree effects in covariance structures. The kernel analysis reduces the noise on the stress graph. Similar structures are visible and qualitative features are the same, but the relative amplitude of these structures is changed.

L’utilisation de modèles tridimensionnels représente une approche intéressante pour visualiser, comprendre et analyser un environnement géologique. La construction de modèles 3D et leur utilisation demeurent cependant peu répandues dans le domaine de la géologie. Cela peut être expliqué, entre autres, par la diversité des données à disposition et les nombreuses étapes à réaliser afin de construire un modèle 3D valide et cohérent par rapport à son utilisation. Afin d’aider les modélisateurs et les guider dans leur procédure de construction de modèles 3D, ce projet de maîtrise vise l’élaboration d’un guide procédural qui assemble logiquement les étapes de construction d’un modèle géologique 3D tout en décrivant formellement les données géométriques (ponctuelle, linéaire, surfacique et volumique) utilisées. Cette description formelle est basée sur la norme en information géographique ISO/TC211 à laquelle est ajoutée une extension pour la représentation des objets volumiques. Le guide proposé facilite la construction des modèles 3D par des modélisateurs non experts. Il a été testé par des non experts qui ont réussi dans 80% des cas à construire des modèles géologiques 3D ce qui permet d’en confirmer son efficacité et son utilité. / The use of three-dimensional models represents an interesting approach to visualize, understand and analyze a geological environment. In Earth sciences, construction of 3D models and their use remain however not very widespread. That can be explained, in part, by the diversity of available data and the numerous steps required to build a valid and coherent 3D model. The purpose of this project is thus to propose a procedural guide that logically assembles 3D geological model construction steps while formally describing geometrical data (point, line, surface and volume) used. This formal description is based on ISO/TC211 geographic information standards to which an extension for the representation of the volumetric objects is added. The proposed guide facilitates the construction of 3D models by non-expert modellers. It was tested by non-experts who succeeded, in a proportion of 80%, in building 3D geological models which allows us to confirm the effectiveness and utility of the guide.

Les modèles classiques en finance sont basés sur des hypothèses qui ne sont pas toujours vérifiables empiriquement. L’objectif de ce mémoire est de présenter l’utilisation de la distribution de Laplace asymétrique généralisée comme une alternative intéressante à ces derniers. Pour ce faire, on utilise ses différentes propriétés afin de développer des méthodes d’estimation paramétrique, d’approximation et de test, en plus d’élaborer quelques principes d’évaluation de produits dérivés. On présente enfin un exemple d’application numérique afin d’illustrer ces différents concepts. / Classical models in finance are based on a set of hypotheses that are not always empirically verifiable. The main objective behind this master’s thesis is to show that the generalized asymmetric Laplace distribution is an interesting alternative to those models. To support this idea, we focus on some of its properties to develop parametric estimation, approximation and testing methods, then we work out some principles of derivatives pricing. Finally, we have a numerical example to illustrate these concepts.

La détérioration des ressources en eau et la grande quantité d'eau polluée générée dans les sociétés industrialisées donnent une importance fondamentale aux procédés de traitement des eaux usées pour préserver les ressources, conformément à l'objectif 6 des 17 objectifs de développement durable des Nations Unies. Le rejet de nutriments tels que l'ammoniac par les eaux usées est un problème important, l'élimination de l'azote (N) est donc l'un des processus critiques de toute station de récupération des ressources en eau (StaRRE). L'objectif de ce projet de recherche doctoral est d'améliorer la compréhension des mécanismes d'élimination de l'azote dans le traitement biologique des eaux usées grâce à la modélisation, et d'optimiser les StaRRE existantes pour réduire la consommation d'énergie et de ressources. Dans ce cadre, 3 études différentes ont été réalisées. Tout d'abord, un modèle de décanteur réactif unidimensionnel a été développé. Celui-ci prédit le comportement de décantation de boues à des concentrations élevées de boues ainsi que les conversions biocinétiques dans le processus de décantation secondaire (DS). Il a été constaté qu'une description précise des réactions biocinétiques dans la DS impose des défis de calibration élevés pour le modèle de décantation, car ce dernier doit capturer les profils de concentration complets de la biomasse active dans la couverture de boues. Le modèle calibré a pu prédire avec précision les profils de concentration des effluents et du lit de boues dans la DS. Le modèle développé peut être utilisé pour le contrôle et la simulation des StaRRE afin d'obtenir de meilleures prédictions des concentrations d'effluents et des boues de retour, et aussi de calculer correctement le bilan massique d'azote d'une StaRRE. Deuxièmement, un modèle à l'échelle de l'usine a été mis en place pour un système de pré-dénitrification conventionnel pour la StaRRE pilEAUte à l'échelle pilote. Une méthodologie de calibration du modèle par étapes a été adoptée en fusionnant les principaux protocoles de calibration de modèle, tout en mettant l'accent sur le modèle biocinétique. Le modèle de la StaRRE pilEAUte, y compris le décanteur réactif développé, a été calibré et validé pour simuler les variables de modèle sélectionnées, puis utilisé pour une analyse de scénarios plus approfondie de l'optimisation de la consommation d'énergie et des ressources. Les résultats de l'analyse des scénarios ont montré le potentiel d'optimisation du système conventionnel d'élimination d'azote grâce à la réduction de l'aération et du retour interne des nitrates. Ils ont également démontré que la dénitrification dans le décanteur secondaire peut avoir une contribution significative à la capacité globale d'élimination d'azote d'une StaRRE lorsque la liqueur mixte peut traverser le lit de boues. Troisièmement, l'étude visait à évaluer l'applicabilité des stratégies de commande continu et intermittent du rapport de l'ammoniac par rapport aux NOX-N (commande AvN) sur la StaRRE pilEAUte. Les stratégies de commande de l'aération par AvN sont appliquées en amont d'un réacteur de désammonification, qui est un processus d'élimination efficace d'azote avec un besoin de ressources réduit (en termes d'aération et carbone) par rapport aux systèmes conventionnels. Les deux stratégies de commande testées pourraient être réalisées grâce à une commande automatique. Cependant, le maintien du rapport AvN dans l'effluent à la valeur souhaitée (1) dépend fortement des conditions opérationnelles telles que les variations de l'affluent, le temps de rétention des boues et la fiabilité des capteurs. Même si la recherche est guidée par les études de StaRRE à l'échelle pilote, les méthodologies développées pour démontrer et modéliser les processus et les conditions opérationnelles économes en énergie et en ressources sont applicables et transférables à d'autres études de cas à plein échelle. / Deterioration of water resources and the large amount of polluted water generated in industrialized societies gives fundamental importance to waste water treatment processes to preserve resources in accordance with goal 6 of the 17 sustainable development goals of the United Nations. Discharge of nutrients such as ammonia with waste water is a significant issue, thus nitrogen (N) removal is one of the critical processes of any water resource recovery facilities (WRRF). The objective of this PhD research project was to improve the understanding of N-removal mechanisms in biological treatment of wastewater through modelling and to optimize existing WRRFs to reduce energy and resource consumption. Within this context, 3 different studies were carried out. First, a one dimensional reactive settler model was developed that predicts the settling behaviour at high sludge concentrations together with biokinetic conversions in the secondary settling process. It was found that an accurate description of biokinetic reactions in the SST puts high calibration requirements on the settling model as it must properly capture the full concentration profiles of active biomass in the sludge blanket. The calibrated model was able to accurately predict the effluent and sludge blanket concentration profiles in the SST. The developed model can be used for control and simulation of WRRFs for better predictions of SST effluent and underflow concentrations and also properly calculate the nitrogen mass balance of a WRRF. Second, a plant-wide model was set up for a conventional pre-denitrification system for the pilot-scale pilEAUte WRRF. A step-wise model calibration methodology was adopted by merging main existing model calibration protocols while placing emphasis on the biokinetic model. The pilEAUte model, including the developed reactive settler, was calibrated and validated to simulate the selected model variables and used for further scenario analysis for energy and resource optimization. The scenario analysis results showed the optimization potential of conventional N removal systems through application of reduced aeration and internal nitrate recycling. It also demonstrated that denitrification in the secondary settler can contribute significantly to the overall N removal capacity of the WRRF when mixed liquor can pass through the sludge blanket. Third, it was aimed to evaluate the applicability of continuous and intermittent Ammonia vs NOₓ-N (AvN) control strategies on the pilEAUte WRRF. The AvN aeration control strategies are applied prior to a deammonification stage which is a short-cut N removal process with reduced resource (aeration and carbon) requirements in comparison to conventional systems. Both strategies could be achieved through automatic control. However, keeping the AvN ratio in the effluent on the desired value highly depends on operational conditions such asinfluent variations, sludge retention time and the sensor's measurement reliability.

Les enchères combinatoires peuvent être utilisées pour parvenir à une allocation efficace des ressources. En transport, l'important est de sélectionner les meilleures mises en enchère. Ce mémoire traite un problème de sélection des transporteurs à un niveau stratégique de la hiérarchie de décision. Sur un horizon de planification de plusieurs mois, l'expéditeur doit s'entendre avec un ensemble de transporteurs pour couvrir le transport de ses produits à partir de ses entrepôts vers ses centres de distribution. Pour ce faire, ce mémoire s'intéresse à une sélection organisée par le moyen d'enchères combinatoires où un expéditeur doit déterminer les mises soumises gagnantes à partir des mises soumises par les transporteurs participants. Cette sélection stratégique des transporteurs est bénéfique pour les deux parties étant donné qu'elle garantit une entente leur permettant de bien planifier les opérations. Cependant, l'expéditeur ayant basé son enchère sur des estimations des volumes à transporter risque d'encourir des coûts supplémentaires découlant des ententes issues de l'enchère. Pour remédier à cette problématique, ce mémoire propose une approche de résolution intégrant les décisions de sélection des transporteurs du niveau stratégique aux décisions d'affectation de ces transporteurs aux opérations de distribution du niveau opérationnel. Cette approche se base sur un cadre conceptuel composé de deux phases décisionnelles : une phase stratégique modélisée en programme linéaire proposé pour résoudre un problème de détermination du gagnant duquel résulte un nombre de solutions représentant différents choix de sélection stratégiques. Au niveau opérationnel, ces décisions stratégiques sont évaluées en tenant compte d'un facteur aléatoire qui caractérise le marché de transport et des différentes contraintes opérationnelles à respecter par l'expéditeur.