Dissertationen zum Thema „Rayleigh charge“

Le secteur aéronautique doit relever des défis environnementaux majeurs pour les décennies à venir. Afin de réduire son impact environnemental, des objectifs ambitieux ont été fixés par des instances comme l’ACARE, visant une neutralité carbone d'ici 2050. Parmi ces objectifs, une réduction de 90 % des émissions d’oxydes d’azote par rapport à 2000, une baisse de 55 % des émissions de CO₂ d’ici 2030 par rapport à 1990 comme une diminution des particules fines et des traînées de condensation sont donc attendus. Pour y parvenir, l’amélioration de la combustion dans les moteurs, principale source de ces émissions, est cruciale. Un des leviers d’optimisation est l’atomisation, qui contrôle la distribution du combustible dans la chambre de combustion. Une atomisation maîtrisée réduit les zones riches en carburant, limitant ainsi la formation de particules fines. Actuellement, des systèmes aéromécaniques génèrent de fines gouttelettes via des jets d’air et des orifices calibrés. Une alternative prometteuse est l’électro-atomisation, qui utilise des champs électriques intenses pour produire des gouttelettes de petites dimensions. Cette thèse explore l’électro-atomisation et son potentiel pour l’aéronautique. Les propriétés électriques de deux carburants – un kérosène et un mélange substitut composé de dodécane et d’éthanol – sont analysées à différentes températures, notamment leur conductivité et permittivité électriques. Ces caractéristiques permettent de comprendre la capacite de chargement électrique des liquides diélectriques. Un banc expérimental dédié a été développé pour étudier la production de gouttes à faibles débits sous haute tension. L’influence du débit et de la tension sur la taille et la charge électrique des gouttes est analysée, avec pour objectif d’approcher la charge de Rayleigh, seuil où une goutte explose pour former des gouttelettes plus fines, ce qui pourrait améliorer la combustion. Cette analyse étudie également l’équilibre entre forces électriques et tension superficielle dans la formation des gouttes
The aviation sector must address major environmental challenges in the coming decades. To reduce its environmental impact, ambitious targets have been set by organizations such as ACARE, aiming for carbon neutrality by 2050. These goals include a 90% reduction in nitrogen oxide emissions compared to 2000, a 55% decrease in CO₂ emissions by 2030 relative to 1990, as well as a reduction in fine particulate matter and contrail formation. Achieving these objectives requires improvements in combustion within engines, location of the main source of these emissions. One key optimization lever is atomization, which could controls the distribution of kerosene in the combustion chamber. Effective atomization minimizes fuel-rich zones, thereby reducing the formation of fine particles. Currently, aerodynamic systems generate fine droplets using air jets and calibrated orifices. A promising alternative is electro-atomization, which utilizes strong electric fields to produce droplets.This thesis explores electro-atomization and its potential for the aviation industry. The electrical properties of two fuels—a kerosene and a substitute mixture of dodecane and ethanol—are analyzed at different temperatures, focusing on their electrical conductivity and permittivity. These properties provide insights into the charging behavior of dielectric liquids.A dedicated experimental setup has been developped to study droplet production at low flow rates under high voltage. The influence of flow rate and voltage on droplet size and charge is analyzed, with the objective to approach the Rayleigh charge limit, a threshold at which a droplet explodes into finer droplets, potentially enhancing combustion. This analysis also examines the balance between electric forces and surface tension in droplet formation

Orientador: Fernando Galembeck
Tese (doutorado) - Universidade Estadual de Campinas, Instituto de Química
Made available in DSpace on 2018-08-25T12:45:16Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Santos_LeandraPereirados_D.pdf: 6636066 bytes, checksum: 1088753dac4139ce09351108770ac021 (MD5) Previous issue date: 2013
Resumo: Nesta tese, investigou-se a eletrização e os mecanismos de acúmulo de carga em gotas de água e filmes de polietileno, bem como, avaliou-se o efeito das cargas elétricas em algumas propriedades desses materiais. A eletrização de água foi realizada de duas formas: pelo contato com uma superfície metálica polarizada ou expondo as gotas de água a um potencial eletrostático criado através do ar por um eletrodo sem contato. Em ambos os casos, observou-se que a água adquire excesso de cargas e que o valor detectado excede o limite de Rayleigh em algumas dezenas. Verificou-se que a presença de cargas em gotas de água leva à diminuição de sua tensão superficial e ao aumento espontâneo de sua área, por outro lado, não foi observada mudança na sua densidade. O reconhecimento desses fatos deve contribuir para uma maior compreensão de vários fenômenos eletrostáticos que ocorrem na presença de água em estado líquido ou adsorvida. A superfície superior e inferior de filmes de polietileno expostos à descarga corona adquire potencias elevados e opostos formando um filme dipolar. No entanto, a molhabilidade, a composição química e a rugosidade das duas superfícies são bastante diferentes. Enquanto a superfície superior é modificada pelo tratamento corona, a superfície inferior, apesar de se tornar eletrizada, permanece inalterada após o tratamento. Estes resultados mostram que a eletrização da superfície voltada para o eletrodo corona ocorre por um processo diferente da superfície oposta. A eletrização da superfície inferior durante o processo corona abre possibilidades para aplicações onde seja desejável ter um filme eletrizado, porém sem modificar as características originais da superfície
Abstract: In this thesis, we investigated charging process and the mechanism of charge build-up in water droplets and polyethylene films as well. We evaluated the effect of electrical charges on some properties of these materials. Charging of water drops was done using two different methods by: contacting an electrified metal or exposing water to the electrostatic potential created through air by a noncontacting biased electrode. In both cases, water drops acquire net electric charge and its value exceeds the Rayleigh limit in a few tens. It was verified that the presence of charges in water droplets leads to reduced surface tension and increased spontaneous its area, but there was no change in density. Recognition of these facts should contribute to further understanding of various electrostatic phenomena taking place in the presence of liquid or adsorbed water. Top and bottom surfaces of polyethylene (PE) films exposed to corona discharge display large and opposite electrostatic potentials, forming an electric bilayer. However, water wetting, chemical composition and roughness of the two surfaces are quite different. While the top surface is modified by corona treatment, the bottom surface is charged but remains unchanged after treatment. These results show that poling the surface closer to the corona electrode triggers another but different charge build-up process at the opposite surface. Charging of the bottom surface during corona opens possibilities for applications where it is desirable to have a polymer film charged, but without modifying the original characteristics of the surface
Doutorado
Físico-Química
Doutora em Ciências

Les composites à matrice cimentaire et renforts textiles, du fait de leur compatibilité mécanique, environnementale et esthétique, sont utilisés sur une large échelle pour la réhabilitation et le renforcement du patrimoine bâti et des ouvrages du génie civil. Sous l'effet de sollicitations mécaniques ou environnementales, les phénomènes d'interaction et d'endommagement entre le renfort textile et la matrice cimentaire s'avèrent plus complexes que dans le cas des composites à matrice polymères. Celles-ci sont liées principalement au comportement fissurant du composite, à la nature fragile de la matrice et à l'adhérence renfort/matrice à prépondérance mécanique. Plus particulièrement, la connaissance et la compréhension des mécanismes de transfert de charge à l'interface renfort/matrice et l'initiation des fissures restent des verrous scientifiques majeurs.Les techniques de mesure classiques utilisées pour la caractérisation du comportement mécanique des composites à matrice cimentaire (extensomètres mécaniques, corrélation d'image digitale, etc.) sont en mesure de donner des informations sur l'état de déformation et de contrainte de la surface du corps d'épreuve. Les différents mécanismes de sollicitation et de dégradation des composants (renfort, matrice, interface) sont déduits en utilisant les approches de la mécanique des milieux continus et de la rupture.Dans ce contexte, ce travail a pour finalité la mise en place et l'adaptation d'un système de mesure intégrable à l'intérieur des composites : capteurs à base de fibres optiques distribuées. Cette technique de mesure est couplée à la corrélation d'image digitale et des jauges en surface des composites. L'objectif principal est d'analyser plus finement les paramètres mécaniques à l'échelle micro et les mécanismes de transfert de charge, d'initiation et de propagation de fissures, ainsi que les mécanismes d'endommagement. Sur la base d'essai de traction uni-axiale couplé à l'instrumentation choisie, une méthodologie d'identification de lois locales d'interaction renfort/matrice est mise en œuvre. La finalité du travail de thèse sera, grâce à ces lois locales, de déterminer les paramètres matériels du composite (longueur de transfert de charge, contrainte de cisaillement à l'interface renfort/matrice, etc.), et l'établissement des paramètres mécaniques caractéristiques du comportement local (fissuration, endommagement, comportement des interfaces, etc.) et global (lois de comportement, ouverture des fissures). Neuf configurations sont testées et analysées dans ce travail : deux types de matrice, deux types de renfort textile et trois taux de renfort. L'adaptation du protocole expérimental et la fiabilité des résultats obtenus sont validées. Le comportement global et local du composite, de la matrice, du textile et de l'interface sont mesurés et analysés. La longueur de transfert de charge, la contrainte de cisaillement à l'interface textile/matrice, l'endommagement de l'interface et l'ouverture des fissures sont quantifiés et discutés. Les effets du taux de renfort, du type de la matrice et du textile, des paramètres mécaniques et géométriques du composite sur sa réponse mécanique en traction sont identifiés et évalués. Ces résultats sont utilisés pour le perfectionnement et/ou le développement des modèles mécaniques du comportement en rigidité et à la rupture des composites à renfort textile et matrice cimentaire
Due to their mechanical, environmental and aesthetic compatibility, textile reinforced cementitious matrix composites are used on a large scale for rehabilitation and reinforcement of the built heritage and civil engineering structures. Under the effect of mechanical or environmental loads, the phenomena of interaction and damage between the textile reinforcement and the cementitious matrix are more complex than in the case of polymer matrix composites. These are mainly related to the cracking behaviour of the composite, the fragile nature of the matrix and the behaviour of the reinforcement/matrix bond. In particular, knowledge and understanding of the load transfer mechanisms at the reinforcement/matrix interface and crack initiation remain a major scientific challenge.Conventional measurement techniques used to characterise the mechanical behaviour of cementitious matrix composites (mechanical extensometers, digital image correlation, etc.) are able to provide information on the strain and stress state at the surface of a tested specimen. The different mechanisms of internal forces and degradation of the components (reinforcement, matrix, interface) are deduced using approaches of continuum and fracture mechanics.In this context, this work aims at implementing and adapting a measurement system that can be integrated into the core of composites: distributed optical fibre sensors. In order to check its reliability, this measurement technique is coupled with classical extensometer technics such as strain gauges implemented on the surface of the composites and digital image correlation. The main objective is to analyse more precisely the mechanical parameters at the micro scale and the load transfer mechanisms, crack initiation and propagation as well as damage mechanisms. On the basis of uni-axial tensile tests, coupled with the chosen instrumentation, a methodology for identifying local laws of reinforcement/matrix interaction is implemented. The aim of the thesis work is, using these local laws, to determine the micro-mechanical parameters of the composite (load transfer length, shear stress at the reinforcement/matrix interface, etc.) and to establish parameters characteristic of the local and global behaviour (cracking pattern and crack opening, damage indicators, constitutive equations, etc.). Nine configurations are tested and analysed in this work: two types of matrix, two types of textile reinforcement and three reinforcement ratios. The adaptation of the experimental protocol and the reliability of the results obtained are validated. The global and local behaviour of the composite, matrix, textile and their interface are measured and analysed. Load transfer length, shear stress at the textile/matrix interface, interface damage and crack opening are quantified and discussed. The effects of reinforcement ratio, matrix and textile type, mechanical and geometrical parameters of the composite on its mechanical tensile response are identified and evaluated. These results are used for the refinement and/or development of mechanical models of the stiffness and fracture behaviour of textile and cement-matrix reinforced composites

Un polyélectrolyte hydrophobe est un polymère portant des charges électriques lorsqu'il est en solution aqueuse et dont l'eau est un mauvais solvant pour le squelette. Cette thèse a pour objectif d'établir l'influence de la nature hydrophobe du squelette sur les propriétés physiques des polyélectrolytes. Pour cela, nous avons tout d'abord synthétisé une série de poly(styrène-\emph(co)-styrènesulfonate de sodium), appelés PSS, possédant des taux de charge $f$ variant entre 30\% et 100\% et comportant entre $N=120$ et $N=2520$ monomères par chaîne. Ces PSS sont caractérisés précisément et peuvent être considérés comme des polyélectrolytes hydrophobes modèles. Nous avons alors étudié leurs propriétés volumiques puis interfaciales.\\ \emph(1. Propriétés en volume.) Le taux de charge effectif de la chaîne unique est anormalement réduit par rapport au cas du polyélectrolyte hydrophile. D'autre part, les propriétés structurales ont été caractérisées par la diffusion des rayons X et la technique de la sonde colloïdale en microscopie à force atomique (AFM). La conformation des chaînes se fait ressentir puisque la longueur de corrélation varie comme $N^0C_p^(-\alpha)$ où $C_p$ est la concentration en polymère et $\alpha$ un exposant dépendant de $f$, décroissant de 1/2 ($f=100\%$) à 1/3 au voisinage de la limite de solubilité. Ces observations sont interprétées dans le cadre d'un modèle théorique prédisant la conformation de la chaîne isolée comme un collier de perles, constitué de globules denses (les perles) reliés deux à deux par un segment de chaîne étirée. La dynamique collective des chaînes, quant à elle, est très proche de celle des polyélectrolytes hydrophiles.\\ \emph(2. Propriétés aux interfaces.) Nous avons conçu une expérience permettant, par adsorption électrostatique ou hydrophobe, de fixer les chaînes de PSS sur une surface solide plane modifiée chimiquement. La couche de PSS adsorbée, immergée dans l'eau, est caractérisée $in~situ$ par ellipsométrie, réflectivité des rayons X haute énergie et microscopie à force atomique. Nous avons ainsi trouvé que la taille de perles varie entre 1 et 5 nm en fonction de $f$. Cette variation est en parfait accord avec les prédictions du modèle dit du collier de perles. Enfin, les polyélectrolytes hydrophobes s'adsorbent également aux interfaces hydrophobes, les perles, dans certains cas, s'étalant sur la surface.

La tomographie sismologique à l'échelle régionale peut donner des informations sur la structure profonde des continents anciens. Nous développons une méthode de tomographie en ondes de surface, puis nous l'appliquons aux ondes de Rayleigh du projet SVEKALAPKO (bouclier Balte). Cette méthode est basée sur le tracé de rais 2D, elle tient compte de la courbure des fronts d'onde incidents. Le profil moyen en vitesse des ondes S obtenu est de 4% plus rapide que des modèles de Terre standards et ne présente pas de zone à moindre vitesse. La comparaison avec des données issues de xénolithes implique une stratification chimique de la lithosphère. Le modèle 3D présente des variations latérales de +/-3% attribuées à des différences de composition des roches. La limite Archéen-Protérozoïque n'a pas de signature nette peut-être à cause d'une modification du manteau à grande échelle au cours du Protérozoïque et/ou de la structure complexe du domaine Protérozoïque, héritée de sa formation.

Les matériaux à changement de phase (MCP) sont très utilisés pour le stockage de l'énergie thermique. Cependant, le temps de stockage/déstockage peut être important. La convection naturelle au sein du MCP permet de réduire ce temps et d'améliorer la fusion. Cette thèse propose l'étude expérimentale des effets de convection dans les MCP. Ces matériaux sont généralement opaques et les mesures optiques sont par conséquent difficiles à mettre en œuvre. Pour contrer ce problème, l'étude est réalisée par mesure IRM (Imagerie par Résonance Magnétique). L'IRM permet d'obtenir des cartographies de phases, température et vitesses et ainsi comprendre localement les mécanismes thermiques et hydrodynamiques mis en jeu. Deux matériaux types sont étudiés : un alcane avec un unique point de fusion, l'hexadécane, et un polymère présentant une plage de température de fusion, le polyéthylène glycol. La dispersion des longueurs de chaînes de ce polymère induit lors de la transition solide-liquide la présence d'une zone molle. La première partie de ce travail se concentre sur la caractérisation de ces MCP afin de connaître leurs propriétés en phase liquide, en phase solide et lors du changement de phase. De nombreuses méthodologies ont été développées et utilisées afin d'obtenir les propriétés thermiques (conductivité thermique, capacité calorifique, chaleur latente et masse volumique). Le comportement sous écoulement est étudié par rhéométrie en phase liquide et en changement de phase. Ces matériaux présentent une hystérésis entre la température de fusion et la température de solidification. Cette dernière est très dépendante des conditions thermiques et cinétiques appliquées pendant le changement de phase. Dans une seconde partie, l'effet de la convection est étudié. Il est montré que la convection démarre à partir d'un nombre de Rayleigh critique proche de 1430 pour l'hexadécane, validant les résultats théoriques de la littérature. La convection permet d'améliorer la hauteur de liquide d'un facteur quatre par rapport au régime conductif et d'augmenter la vitesse du front de fusion. Les transferts thermiques à la paroi sont nettement augmentés en convection. L'écoulement thermo-convectif affecte l'interface de fusion. Grâce aux cartographies de vitesses, nous avons pu observer que les régions de flux ascendants augmentent localement la hauteur liquide et que réciproquement les régions de flux descendants diminuent la hauteur liquide. Par opposition, en régime conductif, le front de fusion est plan et parallèle à la paroi chauffée. En présence de zone molle, l'interface solide-zone molle reste parallèle à la paroi et aucune vitesse supérieure à notre limite de détection (5*10^-5m/s) n'est observée dans la zone molle. La hauteur de la zone molle et de la phase solide sont réduites proportionnellement à leurs conductivités thermiques. Le développement de la convection dans la phase liquide est accompagné de l'apparition de motifs de convection correspondant à des hexagones (imparfaits). Lorsque la hauteur moyenne de liquide augmente, la longueur d'onde augmente également, de sorte que la longueur d'onde divisée par la hauteur liquide reste constante. Ces résultats sont similaires à ceux obtenus à la bifurcation primaire dans la convection classique de Rayleigh-Bénard
Phase change materials (PCMs) are widely used for thermal energy storage. However, the energy storage/release time can be important. Natural convection within the liquid PCM can reduce this time and improve melting. This thesis proposes the experimental study of the effects of convection on PCMs. As PCM are generally opaque, optical measurements are difficult to make. To address this issue, experiments are carried out using MRI (Magnetic Resonance Imaging) measurements. MRI allows to obtain phase, temperature and velocity maps and thus to understand locally the thermal and hydrodynamic mechanisms involved.Two PCMs are studied: a alkane with a single melting point, the hexadecane, and a polymer with a range of melting temperatures, the polyethylene glycol. The dispersion of the chain lengths of this polymer induces the presence of a mushy zone during the solid-liquid transition.The first part of the thesis focuses on the characterization of these PCMs in order to obtain their properties in liquid phase, in solid phase and during phase change. Many methodologies have been developed and used to obtain thermal properties (i.e. thermal conductivity, heat capacity, latent heat and density). The flow behavior is studied by rheometry for the liquid phase and during the phase change. These PCMs show a hysteresis between the melting and solidification temperatures. The latter is highly dependent on the thermal and kinetic conditions applied during the phase change.In a second part, the effect of convection is investigated. It is shown that convection starts from a critical Rayleigh number close to 1430 for hexadecane, in agreement with the theoretical results in the literature. Convection improves the liquid height by a factor of four compared to the conductive regime and increases the velocity of the melt front. Heat transfer at the wall is significantly increased when convection in present. The thermo-convective flow affects the melt interface. From velocity maps, we observed that the upward flow increases locally the liquid height, while the downward flow decreases it. In the conductive regime, the melt front is flat and parallel to the heated wall. In the presence of a mushy zone, its interface with the solid phase remains parallel to the top wall and no velocity higher than our detection limit (5*10^-5m/s) is observed within it. The heights of the mushy zone and solid phase decrease in proportion to their thermal conductivities. The development of convection in the liquid phase is coupled with the formation of convection patterns corresponding to (imperfect) hexagons. As the average liquid height increases, the wavelength of patterns also increases. This results in the wavelength divided by the liquid height remaining constant. These results are similar to those obtained at the primary bifurcation for the classical Rayleigh-Bénard convection

Cette étude concerne la physique des écoulements convectifs résultant d’une instabilité d’évaporation de fluides binaires. Ce problème a de nombreuses applications, l’enrobage par centrifugation, le dépôt de films, les caloducs, etc, pour lesquels le changement de phase et la convection jouent un rôle prépondérant dans la conception et la qualité des procédés. Le système physique étudié est un mélange liquide sous sa propre vapeur, confiné par deux plaques conductrices de chaleur et des bords latéraux isolants. Les plaques sont utilisées pour appliquer un gradient thermique. Aucun gradient de concentration n’est imposé au système. Ces gradients sont induits par les différentes vitesses d’évaporation des composés. Dans ce système, il est important de comprendre comment la dynamique des fluides et les transferts de masse et de chaleur entrent en compétition pour la formation de structures. Le principal objectif de ce travail est d’identifier les conditions pour que le système évolue d’un état conductif vers un état de convection lorsque le gradient vertical de température dépasse une certaine valeur critique.Dans le système, la convection s’installe par trois mécanismes distincts : évaporation, gradients de densité et gradients de tension interfaciale. Trois forces convectives s’opposent aux effets de diffusion qui tendent à garder le système en état conductif. Le seuil d’apparition de la convection dépend de quelques variables, comme les dimensions du contenant, les propriétés thermophysiques des phases liquide et vapeur, la fraction massique, et les caractéristiques de perturbations. L’effet de chacune de ces variables sur le seuil est étudié en présence ou non de gravité.Pour représenter la physique, un modèle mathématique non linéaire complet est développé, basé sur les conservations de quantité de mouvement, d’énergie et de masse dans chaque phase avec les conditions aux limites appropriées. Le fluide binaire est composé de deux alcools légers comme l’éthanol et le sec-butanol. Dans les équations du modèle, la masse volumique ainsi que la tension interfaciale sont fonctions à le fois de la température et de la concentration. Pour la recherche du seuil de transition, les équations sont linéarisées autour d’un état de base connu. Dans notre cas, il s’agit de l’état conductif. Le système d’équations linéaires résultant est résolu par une méthode de collocation spectrale Chebyshev.Nous obtenons quatre résultats principaux. Premièrement, dans un système multi-composants sans gravitation, une instabilité n’apparaît que lorsque le système est chauffé du côté de la phase vapeur contrairement à un système mono-composant. Cela implique que, si on souhaite éviter les instabilités, il vaut mieux un apport de chaleur par la phase liquide en cas de processus d’évaporation en couches minces ou en micro-gravité.Deuxièmement, en présence de gravité, un système multi-composants peut devenir instable quelle que soit la direction du chauffage. Si la convection thermique est négligeable, alors nous montrons que le chauffage par la phase vapeur est la configuration la plus instable. Sinon, les deux modes de chauffage sont à même de produire une instabilité. Ce résultat implique que le gradient thermique appliqué doit être inférieur à une valeur seuil pour éviter les instabilités quelle que soit la direction du chauffage.Troisièmement, lorsque l’instabilité apparaît en absence de gravité, des structures n’apparaitront pas dans le cas de fluide pur mais apparaitront dans le cas d’un fluide multi-composants. De même, des structures apparaitront en présence de gravité en fonction du facteur d’aspect du confinement. Les facteurs d’aspect peuvent être choisis pour éviter des structures multi-cellulaires même en cas d’apparition d’instabilités durant l’évaporation.Enfin, des structures oscillantes ne sont pas prédites de façon générale malgré les effets opposés des convections solutale et thermique dans le problème d’évaporation
This study focuses on understanding the physics of the convective flow resulting from evaporative instability in binary mixtures. This problem has wide applications in spin coating, film deposition, heat pipes, etc. where phase change and convection play a very important role in the design process and also final quality of the product. The physical system of interest consists of a liquid mixture underlying its own vapor sandwiched between two conducting plates with insulated sidewalls in a closed container. The conducting plates are used to apply a vertical temperature gradient while there is no applied concentration gradient in the system. Concentration gradients are induced by the different evaporation rate of the components. In this system it is important to understand how the fluid dynamics and the heat and mass transfer interact competitively to form patterns. The main goal of this work is to identify the conditions for the system going from the conductive no-flow state to a convection state when the applied vertical temperature gradient exceeds a certain value called the critical value.In the system convection arises due to three distinct phenomena; evaporation, density gradients, and interfacial tension gradients. These convective forces are opposed by the diffusion effects that try to keep the system in the conductive no-flow state. The onset point depends upon several variables such as the dimensions of the container, thermo-physical properties of both liquid and vapor phases, mass fraction, and the characteristic of the disturbance given to the system. The effects of each of these variables on the onset point are investigated both in the presence and in the absence of gravity. To represent the physics a complete non-linear mathematical model is developed including momentum, energy, and mass balances in both phases with appropriate boundary conditions. The binary mixture is assumed to be made up of two low weight alcohols such as ethanol and sec-butanol. In the modeling equations the density and the interfacial tension are taken to be function of both temperature and concentration. To identify the onset point the non-linear equations are linearized around a known base state. In this case the base state is the conductive no-flow state. The resulting set of linear equations is solved using a spectral Chebyshev collocation method. Four major results arise from this work. First, in a multi-component system in the absence of gravity, an instability arises only when the system is heated from the vapor side as opposed to evaporation in a single-component. The implication is that evaporative processes in thin layers or in micro-gravity are best conducted with heat from the liquid side if instabilities are to be avoided.Second, in the presence of gravity, a multi-component system may become unstable no matter the direction of heating. If thermal buoyancy is negligible then it is shown in this study that heating from the vapor side is the unstable arrangement. Otherwise either heating style can produce an instability. This result means that the applied temperature difference must be kept below a threshold in order to avoid flow instabilities no matter the heating direction.Third, whenever instability occurs in the absence of gravity, patterns will not result in the case of a pure component but may result in the case of multi-components. Likewise, patterns will result when gravity is taken into account provided the aspect ratio of the container lies in a suitable range. As a result, aspect ratios can be chosen to avoid multi-cellular patterns even if convective flow instabilities arise during evaporation.Lastly, oscillations are not ordinarily predicted despite opposing effects of solutaland thermal convection in the evaporation problem

The aim of master's thesis is to get familiarized with the problems of measurement and analysis of seismic waves. Theoretical part deals with the description of seismic waves, especially their types, sources and properties. Attention was afterwards focused on the measurement systems of these waves, emphasis was placed on their principles and advantages. The practical part discusses methods of noise reduction and highlighting of significant events in measured data. At the end, individual methods are implemented into user-friendly graphical interface.

Volcanic activity, and the resultant deposits and structures at the Earth's surface, are the outcome of the inner workings of underground magmatic plumbing systems. These systems, essentially, consist of magma reservoirs which supply magma to the surface through volcanic conduits feeding volcanic eruptions. The mechanics and structure of plumbing systems remain largely unknown due to the obvious challenges involved in inferring volcanic processes occurring underground from observations at the surface. Nevertheless, volcanologists are beginning to gain a deeper understanding of the workings and architecture of magmatic plumbing systems from geophysical observations on active volcanoes, as well as from geological studies of the erosional remnants of ancient volcanic systems. In this work, I explore the relationship between the structure and mechanics of shallow plumbing systems and the volcanic eruptions these systems produce. I attempt to contribute to the understanding of this complex relationship by linking geological and geophysical observations of an eroded basaltic subvolcanic system, and the eruptive and tectonic activity of an active volcano, with mathematical models of magma ascent and stress transfer. The remarkable exposures of the Carmel outcrop intrusions, near the San Rafael swell, southeast Utah, U. S. A., allow detailed geological and geophysical observations of the roots of volcanic conduits that emerge from a subhorizontal magma feeder reservoir. These observations reveal a new mechanism for magma ascent and eruption triggering through gravitational instabilities created from an underlying feeding sill, and shed light on the mechanics of sill emplacement. Geophysical and geological observations of the 1999 and xii 1992 eruptions of the Cerro Negro volcano, Nicaragua, are used to explore the coupling between changes in the stress field and the triggering of volcanic eruptions, and magma ascent through the shallow crust. Modeling results of stress transfer and conduit flow highlight the importance of the surrounding stress field and geometry of the volcanic conduits that comprise shallow plumbing systems.

碩士
國立中山大學
物理學系研究所
88
Abstract The first hyperpolarizability(β) of five charge-transfer molecules are determined using the hyper-Rayleigh scattering (HRS) technique at two excitation wavelengths : 1064nm and 1907nm. The 1064nm excitation wavelength is derived from a Nd: YAG pulsed laser, and the 1907nm excitation wavelength is obtained by shifting the 1064nm laser light by stimulated Raman scattering of pressurized H2 gas. Four of the five samples contains thiophene and thiazole are synthetized by Prof. Shu Ching-Fong at the National Chiao Tung University (NCTU) and the other sample is synthetized by Prof. Hong, Jin-Long at the National Sun Yat-sen University (NSYSU). The measured β values are used to calculate the intrinsic molecular hyperpolarizabilities using the two-level model previously developed by Oudar and Chemla. The results are related to molecular structure.

Under the electric dipole approximation, second harmonic of the incident light is scattered by a collection of randomly oriented molecular dipoles in solution due to instantaneous orientational fluctuation which is directional. If two such dipoles are correlated in space through intermolecular or other interactions, the intensity of the second harmonic scattered light (SHSL) will be related to the extent of such interactions. If two dipoles are arranged in a particular geometry by design, the geometry will determine the intensity of the SHSL. If a molecule has no dipole moment, the intensity of the SHSL will be less and is only allowed by higher order electric multipoles. If two such zero-dipole molecules interact with each other and transfer some amount of electronic charge from one to the other, the induced dipole moment will give rise to an enhanced SHSL. However, along with the direction of the dipole moment from the donor to the acceptor, the actual geometry of such molecular dimer/complex should also play an important role to determine the nature of the SHSL response. If all the isotropic nonzero components of first hyperpolarizability (β) are taken into account, from the measurement of β and related quantities such as depolarization ratios, in solution it should be possible to derive information about the geometry of the dimer/complex. This is precisely the motivation behind this thesis. Chapter 1 gives a brief introduction of 1:1 charge transfer (CT) complexes between a donor and an acceptor and their importance in chemistry. It also contains an introduction to nonlinear optics, various spectroscopic techniques to characterize CT complexes, etc. The motivation of extracting the geometry of such complexes from hyper-Rayleigh scattering (HRS) measurements in solution is presented in this chapter. In Chapter 2, all the experimental details of the unpolarized and polarization resolved HRS measurements at various excitation wavelengths have been described. Generation of infrared wavelengths (1543 nm and 1907 nm) using stimulated Raman scattering in gases have also been discussed. In Chapter 3, the first hyperpolarizability (βHRS) for two series of 1:1 molecular complexes between methyl substituted benzene donors with tetrachloro-p-benzoquinone (CHL) and dicyanodichloro-p-benzoquinone (DDQ) acceptors in solution at 1543 nm have been presented. Enhancement of βHRS due to charge transfer from the donor to the acceptor molecule which was predicted theoretically has been verified. Using linearly (electric field vector along X direction) and circularly polarized incident light, respectively, two macroscopic depolarization ratios D = I2ω,X,X/I2ω,Z,X and D' = I2ω,X,C/I2ω,Z,C in the laboratory fixed XYZ frame by detecting the SHSL in a polarization resolved fashion have been measured. The experimentally obtained first hyperpolarizability (βHRS), D and D' values, are then matched with the theoretically calculated values from single and double configuration interaction calculations using the Zerner’s intermediate neglect of differential overlap and the self-consistent reaction field (ZINDO–SDCI– SCRF) approach by adjusting the geometrical parameters. It has been found that in most of the CT complexes studied here, there exists a significant twist in the equilibrium geometry at room temperature which is not a simple slipped parallel geometry as was believed. In chapter 4, the βHRS, D and D' values of 1:1 pyridine (PY)-chloranil (CHL) complex at 1064 nm have been described. Previous theoretical studies have shown that there is a tilt angle of 77.9 degree in the gas phase PY-CHL complex. In this chapter, this prediction about the geometry of 1:1 PY-CHL complex has been probed. The experimentally found βHRS, D and D' are matched well with theoretically calculated values, using ZINDO–SDCI–SCRF, for a cofacial geometry of PY-CHL complex in solution indicating that the solution geometry is different from the gas phase geometry. In Chapter 5, the βHRS, D and D' for a series of 1:1 complexes of tropyliumtetrafluoroborate and methyl-substituted benzenes in solution at 1064 nm have been reported. The measured D and D' values vary from 1.36 to 1.46 and 1.62 to 1.72, respectively and are much lower than the values expected from a typical sandwich or a T-shaped geometry. The lowering in D and D' indicates that these complexes have higher symmetry than C2v. The value of D close to 1.5 indicates there is a significant octupolar contribution in such complexes. In order to probe it further, βHRS, D and D' were computed using the ZINDO-SDCI-SCRF technique in the presence of BF4-anion. By arranging the three BF4-ions in a C3 symmetry around the complex in such a way that electrical neutrality is maintained, the computed values are brought to agreement with experiments. This unprecedented influence of the anion on the HRS, D and D' values of these complexes are discussed in this chapter. In Chapter 6, the effect of dipolar interactions, within a multichromophoric system, on the second order nonlinear optical properties have been studied. It has been found that the βHRS response of the multichromophoric system is always larger than expected for uncorrelated chromophores demonstrating that the dipole moment of individual chromophores are not merely additive within the multichromophoric system but contribute cooperatively to the SHSL signal. Also the relative orientation and nature of the chromophores and the angle of interaction between them alter the HRS values. Chapter 7 is the concluding chapter in which all the work done in the thesis has been summarized and future direction has been proposed.

Under the electric dipole approximation, second harmonic of the incident light is scattered by a collection of randomly oriented molecular dipoles in solution due to instantaneous orientational fluctuation which is directional. If two such dipoles are correlated in space through intermolecular or other interactions, the intensity of the second harmonic scattered light (SHSL) will be related to the extent of such interactions. If two dipoles are arranged in a particular geometry by design, the geometry will determine the intensity of the SHSL. If a molecule has no dipole moment, the intensity of the SHSL will be less and is only allowed by higher order electric multipoles. If two such zero-dipole molecules interact with each other and transfer some amount of electronic charge from one to the other, the induced dipole moment will give rise to an enhanced SHSL. However, along with the direction of the dipole moment from the donor to the acceptor, the actual geometry of such molecular dimer/complex should also play an important role to determine the nature of the SHSL response. If all the isotropic nonzero components of first hyperpolarizability (β) are taken into account, from the measurement of β and related quantities such as depolarization ratios, in solution it should be possible to derive information about the geometry of the dimer/complex. This is precisely the motivation behind this thesis. Chapter 1 gives a brief introduction of 1:1 charge transfer (CT) complexes between a donor and an acceptor and their importance in chemistry. It also contains an introduction to nonlinear optics, various spectroscopic techniques to characterize CT complexes, etc. The motivation of extracting the geometry of such complexes from hyper-Rayleigh scattering (HRS) measurements in solution is presented in this chapter. In Chapter 2, all the experimental details of the unpolarized and polarization resolved HRS measurements at various excitation wavelengths have been described. Generation of infrared wavelengths (1543 nm and 1907 nm) using stimulated Raman scattering in gases have also been discussed. In Chapter 3, the first hyperpolarizability (βHRS) for two series of 1:1 molecular complexes between methyl substituted benzene donors with tetrachloro-p-benzoquinone (CHL) and dicyanodichloro-p-benzoquinone (DDQ) acceptors in solution at 1543 nm have been presented. Enhancement of βHRS due to charge transfer from the donor to the acceptor molecule which was predicted theoretically has been verified. Using linearly (electric field vector along X direction) and circularly polarized incident light, respectively, two macroscopic depolarization ratios D = I2ω,X,X/I2ω,Z,X and D' = I2ω,X,C/I2ω,Z,C in the laboratory fixed XYZ frame by detecting the SHSL in a polarization resolved fashion have been measured. The experimentally obtained first hyperpolarizability (βHRS), D and D' values, are then matched with the theoretically calculated values from single and double configuration interaction calculations using the Zerner’s intermediate neglect of differential overlap and the self-consistent reaction field (ZINDO–SDCI– SCRF) approach by adjusting the geometrical parameters. It has been found that in most of the CT complexes studied here, there exists a significant twist in the equilibrium geometry at room temperature which is not a simple slipped parallel geometry as was believed. In chapter 4, the βHRS, D and D' values of 1:1 pyridine (PY)-chloranil (CHL) complex at 1064 nm have been described. Previous theoretical studies have shown that there is a tilt angle of 77.9 degree in the gas phase PY-CHL complex. In this chapter, this prediction about the geometry of 1:1 PY-CHL complex has been probed. The experimentally found βHRS, D and D' are matched well with theoretically calculated values, using ZINDO–SDCI–SCRF, for a cofacial geometry of PY-CHL complex in solution indicating that the solution geometry is different from the gas phase geometry. In Chapter 5, the βHRS, D and D' for a series of 1:1 complexes of tropyliumtetrafluoroborate and methyl-substituted benzenes in solution at 1064 nm have been reported. The measured D and D' values vary from 1.36 to 1.46 and 1.62 to 1.72, respectively and are much lower than the values expected from a typical sandwich or a T-shaped geometry. The lowering in D and D' indicates that these complexes have higher symmetry than C2v. The value of D close to 1.5 indicates there is a significant octupolar contribution in such complexes. In order to probe it further, βHRS, D and D' were computed using the ZINDO-SDCI-SCRF technique in the presence of BF4-anion. By arranging the three BF4-ions in a C3 symmetry around the complex in such a way that electrical neutrality is maintained, the computed values are brought to agreement with experiments. This unprecedented influence of the anion on the HRS, D and D' values of these complexes are discussed in this chapter. In Chapter 6, the effect of dipolar interactions, within a multichromophoric system, on the second order nonlinear optical properties have been studied. It has been found that the βHRS response of the multichromophoric system is always larger than expected for uncorrelated chromophores demonstrating that the dipole moment of individual chromophores are not merely additive within the multichromophoric system but contribute cooperatively to the SHSL signal. Also the relative orientation and nature of the chromophores and the angle of interaction between them alter the HRS values. Chapter 7 is the concluding chapter in which all the work done in the thesis has been summarized and future direction has been proposed.

Dans le domaine du génie civil, la demande en matière de contrôle non destructif est croissante. Les ondes de surface, et de Rayleigh en particulier, présentent différentes propriétés intéressantes pour l'auscultation de la surface des structures en béton. L'objectif de ce travail est de proposer et d'évaluer une méthode de caractérisation des fissures de surface par les ondes de Rayleigh . La diffraction des ondes de Rayleigh par une fissure de surface est modélisée par la méthode indirecte d'éléments de frontière (IBEM pour Indirect Boundary Element Method). Les résultats permettent une analyse fine des différents phénomènes de diffraction et l'élaboration d'une méthode spectrale de détermination de la profondeur des fissures . Des dispositifs et procédures de traitement prenant en compte les effets de la source et des capteurs permettent de l'appliquer expérimentalement. La comparaison des données numériques et expérimentales sur des fissures artificielles de différentes profondeurs valide la méthode. Elle est alors appliquée à des cas particuliers (fissures remplies d'eau , fissures présentant des contacts entre les deux lèvres) et comparée à une méthode temporelle utilisant les ondes de volume. Les résultats montrent clairement la complémentarité des deux méthodes pour un faible surcoût de mise en oeuvre. Leur application à des cas de fissuration réelle sur ouvrage d'art confirme leur complémentarité pour de véritables conditions d'auscultation.

Seit mehr als einem Jahrhundert ist ein wachsendes wissenschaftliches Interesse an Tropfen und den Vorgängen bei deren Aufprall auf die verschiedensten Substrate zu verzeichnen, wohl auch durch die Fotografien von Worthington (1908) ausgelöst. Inzwischen wurden viele Erkenntnisse durch große Fortschritte bei der experimentellen Untersuchung (z.B. mittels Hochgeschwindigkeitsaufnahmen) und durch theoretische und computergestützte Untersuchung (z.B. durch skalenfreie und numerische Modellierung) gewonnen. Trotzdem bleibt durch die Vielfältigkeit und Komplexität der Phänomene während des Tropfenaufpralls sowie wegen der ständig erweiterten Anwendungsbereiche dieses Forschungsgebiet hochaktuell. Insbesondere sehr kleine und gleichzeitig sehr schnelle Tropfen (Tropfendurchmesser 10µm bis 100µm, Tropfengeschwindigkeit 10m/s bis 100m/s) kommen in vielen modernen Anwendungen vor (z.B. Verbrennungsmotoren, Tintenstrahldrucker, Reinigung von Oberflächen). In diesem wichtigen, aber für Untersuchungen schwer zugänglichen Parameterbereich gibt es immer noch offene Fragen. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich daher mit diesen schnellen Mikrotropfen in Bezug auf ihre Herstellung und den Aufprallvorgang auf ein festes, trockenes oder benetztes Substrat. Zunächst wird eine Methode zur Erzeugung eines Hochgeschwindigkeitssprays realisiert, welche auf dem durch Ultraschall gesteuerten Plateau-Rayleigh-Zerfall eines Flüssigkeitsstrahls beruht. Sie ermöglicht es, sowohl Tropfengröße als auch –geschwindigkeit präzise und mit hoher Reproduzierbarkeit über den gesamten oben angegebenen Parameterbereich einzustellen. Durch gezielte Manipulation eines Einzeltropfens durch elektrische Felder wird anschließend der Tropfenaufprall auf Substrate unterschiedlicher Benetzbarkeit mit sehr hoher zeitlicher Auflösung (ca. 100 Mio. Bilder pro Sekunde) bei gleichzeitig hoher räumlicher Auflösung (< 1µm) untersucht. Es zeigt sich, dass bekannte Modelle für langsamere und größere Tropfen im Millimeterbereich auch für schnelle Mikrotropfen Gültigkeit behalten. Somit ist bei gleichen dimensionslosen Kennzahlen (z.B. Reynolds-Zahl, Weber-Zahl, Ohnesorge-Zahl) eine skalenfreie Beschreibung des Tropfenaufpralls möglich. Schließlich wird die Methode zur Tropfenerzeugung auf einen für Anwendungen in der Reinigung relevanten Fall übertragen. Hierbei geht es um den Tropfenaufprall auf ein von einem Flüssigkeitsfilm überströmten Substrat. Es werden die während des Auftreffvorgangs auftretenden Geschwindigkeiten in der sich bildenden radialen Strömung in Abhängigkeit von verschiedenen Prozessparametern bestimmt. Aus den Ergebnissen lassen sich Aussagen über die zu erwartende Reinigungswirkung durch derartige Tropfen und den Einfluss der Prozessparameter treffen.