La simulation visuelle interactive (SVI) permet d’analyser et de comprendre des systèmes complexes. Par contre, leur compréhension est limitée par la capacité humaine de traiter et d’analyser l’information véhiculée par la simulation afin de prendre de bonne décision concernant son déroulement futur. Le projet présenté dans cette thèse vise à aider la compréhension d’un scénario simulé par l’utilisation d’un Framework qui permet de simplifier la tâche d’analyse de l’utilisateur. En effet, le Framework effectue de façon autonome des tâches d’analyse et de traitement pour informer l’utilisateur du type d’interactions entre les entités du scénario simulé. Pour ce faire, le Framework permet tout d’abord de structurer les éléments de la simulation en s’inspirant du paradigme des écosystèmes. Ensuite, le Framework trouve et identifie les types d’interactions présentes dans le scénario. Finalement, le Framework informe l’utilisateur de façon claire et simple des comportements à noter. Comme les résultats obtenus le démontrent, le Framework permet de simplifier la tâche d’analyse d’un utilisateur de SVI en l’informant du type d’interactions présentes dans le scénario à l’étude. -- Mots clés : Simulation visuelle interactive, logique floue, écosystème, interaction biologique, détection d’interaction, Framework, architecture logiciel, interaction, biomimétisme, système complexe, modélisation.

Les avancées technologiques des programmes de simulation et des ordinateurs commerciaux rendent la simulation en temps réel de procédés complexes plus accessible au public. La simulation en temps réel nous permet de ressentir les vraies dynamiques d'un modèle physique qui pourrait être trop difficile ou trop coûteux à réaliser en réalité. Le concept présenté, dans ce mémoire, porte sur l'utilisation de la simulation en temps réel pour réaliser des laboratoires virtuels interactifs et versatiles. En génie électrique, on pourrait prendre comme exemple les laboratoires de machines électriques où il est difficile en salle de classe de démontrer les dynamiques et les envergures des machines rencontrées dans l'industrie. Le laboratoire virtuel de ce cours serait une représentation complète de la table physique dans l'environnement de simulation, à la différence que l'on pourrait modifier les machines à volonté pour avoir par exemple des machines plus proches de la réalité industrielle. Dans un premier temps, les objectifs et contraintes des laboratoires d'enseignement sont présentés. On en déduira les objectifs que doivent remplir les laboratoires virtuels en temps réel. Ensuite, on introduira la conception de la structure que doit respecter le modèle de simulation pour permettre la réalisation d'un laboratoire "bac à sable". Une réflexion doit être apportée pour que le modèle permette à l'utilisateur de réaliser le maximum d'expériences différentes tout en restant intuitif. Des composants permettant d'atteindre les objectifs déterminés ont été développés. Ils ont été créés pour permettre leur modification durant la simulation, apportant ainsi une plus grande versatilité une fois la simulation créée. Enfin, l'étendue des possibilités que proposent les laboratoires virtuels en temps réels sera présentée. Des expériences seront réalisées sur deux laboratoires créés dans le cadre de ce mémoire. Le premier traite du cours d'électrotechnique fondamental, où divers essais sur les transformateurs et les charges passives peuvent être réalisés. Le deuxième porte sur un réseau d'usine où le démarrage des machines de grande puissance et leurs interactions sont présentés. / Technological advances in simulation programs and commercial computers make real-time simulation of complex processes more accessible to the general public. Real-time simulation allows us to experience the true dynamics of a physical model that might be too difficult or too expensive to realize in reality.The concept presented in this memoire focuses on the use of real-time simulation to create interactive and versatile virtual laboratories. In electrical engineering, we could take, as an example, the electrical machine laboratories where it is di cult in the classroom to demonstrate the dynamics and scale of machines encountered in the industry. The virtual lab in this course would be a complete representation of the physical workbench with in the simulation environment. With the difference that the machines could be modified at will, for example, to be closer to the reality of the industry. First, the objectives and constraints of the teaching laboratories are presented, from wich we will deduce the objectives that must be fullled by real-time virtual laboratories.Then, we will introduce the design of the structure that the simulation model must respect to allow the realization of a "sandbox" type laboratory. The model must allow to realize a maximum of different experiments while remaining intuitive.Components allowing to reach the determined objectives have been developed. They were created toallow their modification during the simulation, thus bringing a greater versatility once the simulationis created.Finally, the extent of the possibilities oered by real-time virtual laboratories will be presented. Experiments will be performed on two labs created for this memoire. The firrst deals with the fundamental electrical engineering course, where various tests on transformers and passive loads can be performed. The second deals with a factory grid where the starting of large machines and their interactions are presented.

Ce mémoire présente l’étude numérique d’un emballement de turbine hydraulique axiale à échelle modèle. Cet état transitoire est simulé du point de meilleur rendement jusqu’à l’atteinte de 95% de la vitesse d’emballement. Pour ce faire, une méthodologie numérique est développée à l’aide du logiciel commercial ANSYS CFX en utilisant une approche "Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes" avec modèle de turbulence k-ε. Cette méthodologie numérique a été validée grâce à des mesures expérimentales de pression acquises en situation d’emballement sur les aubes d’une roue de turbine axiale étudiée au Laboratoire de Machines Hydrauliques de l’Université Laval. La validation des simulations numériques a été réalisée grâce à des comparaisons dans les domaines temporel et fréquentiel entre les pressions mesurées expérimentalement et calculées numériquement. Les analyses fréquentielles en transitoire ont été effectuées à l’aide de transformées en ondelettes afin de représenter l’évolution temporelle du spectre de fréquence. Des analyses qualitatives de phénomènes hydrauliques prenant place dans la turbine sont aussi présentées. Les analyses effectuées ont permis de confirmer le développement d’un tourbillon en précession par rapport à la roue dans l’aspirateur provocant les fluctuations de pression dominantes à des fréquences subsynchrones. La comparaison entre les données expérimentales et numériques a permis de valider une stratégie de simulation transitoire et d’en définir les limites en vue de prochaines simulations d’emballement. Des tests supplémentaires sont suggérés pour améliorer la précision ou le niveau de confiance de la méthode. / This work presents a numerical study of a runaway event (from the load rejection at BEP to 95% of the runaway speed) for a model propeller turbine. To do so, a numerical methodology, based on the “Unsteady Reynolds Averaged Navier-Stokes” approach with k-ε turbulence model, is developed with the commercial CFD solver ANSYS CFX. This methodology is validated with pressure measurements on the runner blades of a propeller model turbine during a runaway event at the Hydraulic Machines Laboratory of Laval University. Comparisons between experimental pressure measurements and numerical pressure simulations in time domain and frequency domain are mainly used to validate the numerical methodology. The transient frequency analysis are performed with Wavelet to represent the time evolution of the frequency spectrum. Qualitative analysis of the hydraulic phenomena developed during the transient event are also carried out. Numerical analysis showed the development and the evolution of a vortex rope in the draft tube associated with high pressure fluctuations. Comparisons between experimental and numerical data revealed the limits of the methodology that will need adjustments for future works.

Le traitement de l'azote au sein des stations d’épuration des eaux usées devient l'un des principaux enjeux actuels du fait de son impact particulièrement néfaste sur le milieu naturel. A l'aval de traitements secondaires à moyenne et forte charge, les gestionnaires peuvent avoir recours à la nitrification tertiaire par biofiltration, procédé intensif s’insérant bien pour les installations à réhabiliter dans les zones à forte pression foncière. Il s’avère être un procédé capable d’éliminer de très fortes charges dans un espace restreint par sa capacité à accumuler une quantité importante de biomasse active autour du matériau filtrant. La simulation du comportement d’un tel procédé n’est pas directe, et peu de travaux ont mené à un outil utilisable en ingénierie. Or, son usage serait indispensable pour valider le dimensionnement en conditions réelles de fonctionnement et en régime dynamique. L’objectif principal de ce travail a porté sur l’étude et la validation d’un modèle de biofiltration déjà existant mais encore jamais testé avec des données réelles de terrain en traitement tertiaire de nitrification. Dans ce but, le fonctionnement d’une installation pilote semi-industrielle alimentée par un effluent urbain réel provenant de bassins par boues activées a été étudiée. Afin de se placer en condition dynamique de fonctionnement, différents paliers de charges moyennes journalières en azote ont été appliqués, au sein desquels des à-coups de charges hydrauliques ont été provoqués. Les résultats acquis en continu pendant plus d’un an, associés à un protocole de calage systématique issu d’une étude de sensibilité, ont permis d’obtenir un jeu de paramètres calé et validé du modèle. Le protocole a nécessité la mise en œuvre de tests spécifiques caractérisant régulièrement le biofilm développé dans le procédé. Ces essais ont augmenté le nombre de variables d’état observées et à comparer avec les prédictions du modèle, ce qui a permis de mieux en évaluer sa robustesse. En parallèle, les tests spécifiques ont permis d’étudier la dynamique des processus impliqués dans l’élimination de l’azote au sein du procédé. Les paramètres influençant les performances globales du traitement de l’azote, l’activité et la quantification de la biomasse autotrophe, son temps de séjour ou encore sa répartition au sein du milieu filtrant ont ainsi pu être évalués. La double démarche expérimentale et numérique a permis de montrer que le modèle de biofiltration est capable de simuler des performances de traitement de l’azote conformes à la réalité. D’autre part, ce travail a permis d’étudier de manière approfondie les mécanismes inclus dans le modèle et leurs limitations face aux différentes conditions de fonctionnement appliquées au système. Des faiblesses du modèle concernant le comportement des composés particulaires et l’évolution de la perte de charge au sein du pilote ont notamment été dégagées. / Nitrogen removal in wastewater treatment plants becomes more and more used due to the harmful impact of nitrogen on the natural environment. After medium and highly loaded secondary treatment, practitioners could use biofiltration for tertiary nitrification, which is an intensive process adapted in areas with strong land pressures. This technology can remove very strong loading rate in a restrained space by its capacity to developp an important amount of active biomass into the filtering media. Simulation of such technique’s behaviour is not direct, and few studies led to a useful tool for engineers. However, its use is necessary in order to validate design in real operating conditions and dynamic conditions. The main objective of this work concerned the study and validation of a biofiltration model which already exists but has still never been tested with real data in tertiary nitrification treatment. In order to reach this objective, the behaviour of a semi-industrial pilot plant, fed by real domestic effluent from an activated sludge plant, was studied. In order to operate in dynamic conditions, different daily volumetric nitrogen loading rates were applied, in which dynamic peak-loads were carried out. The calibration and the validation of the model parameters were done thanks to on-line ammonia and nitrate analysers during one year and more, in association with a calibration procedure and a sensitivity analysis. The protocol required the implementation of specific tests for characterization of the biofilm inside the filtering media. These tests increased the number of the observed state variables to compare with the model predictions. That allows a better evaluation of the model robustness. At the same time, the dynamics of processes taking part in the nitrogen removal into the biofilm were investigated thanks to these specific tests. So, parameters which influence the nitrogen removal, overall performance, activity and quantification of autotrophic biomass, its solids retention time or its repartition inside the filtering media, could be determined. Combination of experimental observations and numerical modelling highlighted the capacity of the biofiltration model to provide good predictions on real nitrogen removal performances. Furthermore, this study allowed to evaluate mechanisms included in the model and their limitations with different operating conditions applied in the system. Finally, weaknesses of the model concerning solids compounds and the evolution of head loss in the pilot plant were established.

Les lasers à fibre optique dopée à l’ytterbium en régime continu de haute puissance ontune part de marché grandissante pour des applications d’usinage de métaux. Malgré qu’il s’agisse d’une technologie relativement répandue, un important problème subsiste dans laplupart de ces lasers. À haute puissance, la diffusion Raman stimulée transfère une partie de la puissance de la longueur d’onde principale d’émission des lasers autour de 1070 nm à la première bande de Stokes Raman autour de 1120 nm, ce qu’on appelle l’instabilité Raman. Cette puissance transférée est inutilisable et peut même être dangereuse pour le système laser et ses utilisateurs. Malgré les travaux théoriques et expérimentaux effectués sur ces lasers, très peu d’explications ont été fournies sur les liens entre les paramètres de la fibre optique et des réseaux de Bragg formant la cavité laser et l’instabilité Raman. Le but du projet de maîtrise présenté dans ce mémoire est donc de développer un modèle de simulation numérique de ces lasers, afin de comprendre et d’identifier les mécanismes dominants qui favorisent l’instabilité Raman et de trouver des configurations de montage la minimisant. Ce mémoire présente les deux modèles de simulation développés dans le cadre de ce projet. Le premier traite la propagation du signal laser comme étant unidirectionnelle, alors que le second la traite comme étant bidirectionnelle, ce qui se rapproche plus de la situation expérimentale. Le montage typique simulé est constitué d’une fibre optique à double gaine dopée à l’ytterbium ayant une grande aire modale effective, d’un réseau de Bragg à haute réflectivité et d’un réseau de Bragg à faible réflectivité servant de coupleur de sortie. Les simulations ont permis d’identifier cinq paramètres de la cavité laser ayant un impact important sur l’instabilité Raman. Une faible puissance moyenne du signal, une courte fibre optique de gain, une configuration de pompage en contrapropagation, c’est-à-dire par le côté du coupleur de sortie, ainsi qu’une plus faible réflectivité et une large bande réfléchissante du réseau de Bragg à faible réflectivité permettent de limiter la génération de l’instabilité Raman. L’optimisation de ces paramètres permet d’obtenir une cavité laser ayant extrêmement peu d’instabilité Ra-man. Ce faible niveau d’instabilité Raman semble être causé par une plus faible puissance intracavité, une courte distance de propagation et des modulations rapides de la puissance du signal. Des montages simulés incluant un filtre dans la cavité à la longueur d’onde de Stokes Raman, un réflecteur non linéaire ou une cavité de basse puissance amplifiée ont également montré une réduction significative de l’intensité de l’onde de Stokes Raman. / Continuous high-power ytterbium-doped fiber lasers have an increasing market share formetal processing applications. Despite their widespread use, these lasers still suffer a ma-jor problem. At high power, stimulated Raman scattering shifts the power from the main emission wavelength around 1070 nm to the first Raman Stokes sideband around 1120 nm. This process is called Raman instability. The shifted power becomes useless and can even be dangerous for both the laser system and its users. Previous experimental and theoretical analyses have failed to provide clear explanations on the link between the Raman instability and the parameters of the ytterbium-doped optical fiber and the fiber Bragg gratings forming the laser cavity. The goal of this master’s degree project was to develop a simulation model for continuous high-power ytterbium-doped fiber lasers in order to identify and understand how the parameters of the laser cavity affect the Raman instability and to find cavity configurations that reduce it. This master’s thesis presents the two simulation models developed during this project. The first model considers unidirectionnal propagation of the laser signal while the second one considers bidirectionnal propagation. The latter is thus a more realistic model of such lasers.The typical simulated setup is made of a double-clad ytterbium-doped fiber with a large mode area, a high reflectivity Bragg grating and a low reflectivity Bragg grating that isused as output coupler. The simulations allowed to identify five cavity parameters having an impact on the Raman instability. A low average power, a short gain fiber, a counter-propagation pumping setup as well as a low reflectivity and a large reflective bandwidth for the fiber Bragg grating used as the output coupler help minimizing the Raman instability.The optimisation of these parameters creates a laser cavity with an extremely low power shift to the Raman Stokes sideband. The low Raman instability seems to be caused by a lower intra-cavity power, a shorter propagation distance and fast power modulations in thesignal. Incorporating a filter in the cavity, using a nonlinear reflector as output coupler or using a setup that includes a low-power master oscillator in combination with a high-power amplifier have also been simulated and show a reduction of the Raman instability.

Une chaîne logistique est composée d’entreprises fabriquant et distribuant des produits aux consommateurs. En modélisant chacune de ses entreprises comme un agent intelligent, nous étudions l’effet « coup de fouet » qui s’y propage. Cet effet consiste en l’amplification de la variabilité des commandes passées par les entreprises lorsque l’on s’éloigne du client final. Dans un premier temps, nous modélisons chaque entreprise d’une chaîne logistique forestière québécoise comme un agent intelligent, afin de proposer deux mécanismes de coordination décentralisés réduisant ce phénomène. Des simulations de ce système multiagent montrent que ce mécanisme est efficace pour une chaîne logistique dans son ensemble. Dans un second temps, d’autres simulations sont utilisées pour construire un jeu, que nous analysons avec la Théorie de Jeux. Nous vérifions ainsi que les entreprises n’ont pas intérêt d’arrêter unilatéralement d’utiliser nos mécanismes de coordination (équilibre de Nash). / A supply chain is a set of companies that manufacture and distribute products to consumers. We study the “bullwhip effect” that is propagated therein by modelling each company as an intelligent agent. This effect is the amplification of the variability of orders placed by companies, as one moves away from end-customers. Firstly, we model each company in a Québec wood supply chain as an intelligent agent, in order to propose two decentralized coordination mechanisms reducing this phenomenon. Simulations of this multi-agent system show that our mechanism is efficient for a supply chain as a whole. Secondly, additional simulations are used to build a game, which we analyze with Game Theory. We verify here that companies have no incentive to cease unilaterally from using our two coordination mechanisms (Nash equilibrium).

Québec Université Laval, Bibliothèque 2014

Parmi les éléments nutritifs influençant la croissance de la pomme de terre, l'azote est considéré comme étant le plus limitant. Le coefficient de recouvrement azoté des engrais minéraux appliqués à la pomme de terre est d'environ 45% en raison des sols sableux sur lesquels on la cultive et de son système racinaire peu développé. Pour cette raison, le fractionnement spatio-temporel des applications azotées se révèle nécessaire afin d'optimiser les rendements et de minimiser les pertes d'azote dans le sol, l'air et l'eau. L'objectif principal de cette thèse est le développement d'un modèle de simulation et de prédiction des rendements de pommes de terre à l'échelle intra-champ. Pour ce faire, un premier sous-objectif vise à développer un modèle par réseau de neurones permettant d'estimer la radiation solaire incidente, donnée importante pour les modèles de croissance mais faisant souvent défaut dans les bases de données météorologiques. Nos résultats concernant ce premier sous-objectif montrent qu'un réseau de neurones utilisant la radiation solaire extraterrestre, les écarts diurnes de température et le jour de l'année performe mieux que deux modèles empiriques classiques. Le deuxième sous-objectif consiste à développer un modèle de croissance et de prédiction des rendements à l'échelle intra-champ par réseau de neurones et de comparer celui-ci à une régression linéaire multiple et au modèle SUBSTOR. Cette comparaison s'est faite tant au niveau de la simulation des rendements, utilisant des données couvrant toute la saison de croissance, qu'au niveau de la prédiction des rendements considérant des horizons temporels de 9, 10 et 11 semaines. Ces horizons de temps correspondaient plus ou moins au stade de floraison, durant lequel une seconde application de N est généralement appliquée sous nos conditions. Les résultats démontrent qu'un modèle par réseau de neurones utilisant des fonctions du LAI et la pluviométrie cumulative permettrait de simuler et de prédire les rendements en tubercules de façon plus précise que SUBSTOR et un modèle de régression linéaire multiple. Cela suggère que la période critique influençant les rendements de pomme de terre se situerait entre 5 et 8 semaines après la plantation et que la croissance subséquente des tubercules serait essentiellement contrôlée par le transfert de biomasse vers les tubercules. Cette période critique varie selon les cultivars, étant d'environ 5 semaines pour 11 les cultivars hâtifs et d'environ 8 semaines pour les cultivars tardifs. Nos résultats suggèrent aussi que la mesure de LAI intégrerait plusieurs paramètres pris en compte par les modèles de croissance mécanistes classiques, comme par exemple les paramètres pédologiques et génétiques. On observe d'ailleurs une forte corrélation entre le LAI saisonnier maximal et la concentration du sol en nitrate. Ce travail de recherche devra être complété en évaluant, notamment, la capacité d'un tel modèle à tenir compte 1) des effets d'applications différentielles de N sur le rendement et 2) de la sensibilité des différentes zones d'aménagement aux pertes environnementales de N.

Ce mémoire présente les travaux de développement d’un outil de simulation numérique du comportement d’un matériau composite textile spécial appelé interlock 3D. Ce tissé composite présente des performances intéressantes de résistance au choc et de tolérance aux dommages. Ces propriétés lui viennent de la présence de torons tissés à travers l’épaisseur. De ce fait, ce matériau peut être une alternative très intéressante aux composites stratifiés conventionnels, qui n’ont que des fibres orientées dans le plan, pour des applications aéronautiques où des éléments sont soumis à des impacts et sujets au délaminage. Ce travail présente une campagne expérimentale qui vise à caractériser le comportement du matériau dans les directions du plan et à travers l’épaisseur. Par la suite des lois de comportement sont développées pour reproduire le comportement dans chaque direction. Mettre en place la mécanique d’endommagement, ainsi que le comportement inélastique ont été les parties les plus complexes. Ce modèle est par la suite implanté dans le logiciel éléments finis ABAQUS/Explicit en utilisant une sous-routine VUMAT. Des simulations du comportement mécanique du matériau sont premièrement réalisées pour valider les prédictions du modèle dans l’ensemble des directions. Ensuite, des essais d’indentation quasi-statique sont effectués et les résultats sont comparés aux prédictions du modèle. Enfin, des simulations dynamiques d’impact sont réalisées sur le composite tissé en utilisant des projectiles rigides et mous ainsi que différentes configurations. Des comparaisons avec des résultats expérimentaux montrent la bonne capacité du modèle à reproduire le comportement du matériau lors de l’impact avec un projectile rigide à faible vitesse. Les hautes énergies d’impact traduisent des lacunes dans la mécanique d’endommagement proche de la rupture. Les résultats d’impact avec un projectile mou à faible vitesse sont encourageants et montrent l’aptitude du modèle à fournir une estimation correcte de la force d’impact, bien que surestimée dans certaines configurations / This study presents the development of a tool for numerical simulation of the behavior of a special textile composite material called interlock 3D. This composite woven fabric exhibits interesting performance in terms of impact resistance and damage tolerance. These properties come from the presence of strands woven through the thickness. As a result, this material can be a very interesting alternative to conventional laminated composite, which have only planar oriented fibers, for aeronautical applications where elements are subjected to impacts and subjected to delamination. This work presents an experimental campaign aimed at characterizing the behavior of the material in the in-plane directions and through the thickness. Subsequently behavior laws are developed to reproduce the mechanical behavior in each direction. Seting up the mechanics of damage, as well as the inelastic behavior were the most complex parts. This model is subsequently implemented in the ABAQUS / Explicit finite element software using a VUMAT subroutine. Simulations of the material mechanical behavior are first performed to validate the predictions of the model in all the directions. Then, quasi-static indentation tests are performed and the results compared to the model predictions. Finally, dynamic impact simulations are carried out on the woven composite using rigid and soft projectiles as well as different configurations. Comparisons with experimental results show the model's good ability to reproduce the behavior of the material during impact with a rigid low-velocity projectile. High impact energies reflect shortcomings in the mechanics of damage close to rupture. Impact results with a soft low-velocity projectile are encouraging and show the ability of the model to provide a correct estimate of the impact force, although overestimated in some configurations

La conduite nécessite un traitement constant de l'information visuelle environnante. Le vieillissement engendre des modifications du système visuel et cognitif qui pourrait affecter la recherche d'information visuelle en conduite. L'objectif de ce projet de maîtrise était donc d'évaluer les comportements de recherche visuelle de conducteurs âgés dans différentes situations de conduite simulée. Dix conducteurs âgés (65 à 75 ans) et 10 conducteurs jeunes (20 à 31 ans) ont conduit un scénario comprenant des sections de conduite rurale et urbaine. Comparativement aux conducteurs jeunes, les conducteurs âgés ont montré une amplitude horizontale plus petite et une variabilité des amplitudes moins grande entre les fixations. De plus, les conducteurs âgés ont montré un plus petit nombre de fixations par seconde pour les contextes de conduite plus complexes qui ont été analysés (par exemple, la conduite sur route droite vs manœuvres de dépassement). 11 importe de déterminer si ce champ visuel diminué amène à une omission de traitement d'informations importantes pour la conduite.