Στην παρούσα εργασία παρουσιάζονται πειραματικά αποτελέσματα των τρισδιάστατων διανυσμάτων των τυρβωδών πεδίων ταχύτητας και στροβιλότητας στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσμης με λόγο σύγκλισης 6. Οι τυρβώδεις ορθογωνικές ελεύθερες δέσμες έχουν πρακτικό ενδιαφέρον για την καύση, την πρόωση και τις περιβαλλοντικές ροές. Για την μέτρηση των μέσων και στατιστικών χαρακτηριστικών των συνιστωσών των δυο πεδίων σε διαφορετικές θέσεις στην εγγύς περιοχή της δέσμης χρησιμοποιήθηκε κεφαλή 12-αισθητήρων θερμού νήματος αποτελούμενη από τρεις κεφαλές 4 αισθητήρων. Η κεφαλή 12-αισθητήρων μετράει ταυτόχρονα τις τρεις συνιστώσες της ταχύτητας σε τρεις διαφορετικές θέσεις και επιτρέπει τον υπολογισμό των χωρικών παραγώγων του ανύσματος της ταχύτητας με την μέθοδο των πεπερασμένων διαφορών με ακρίβεια πρώτης τάξεως. Η κατασκευή της κεφαλής 12-αισθητήρων και η τεχνική μέτρηση βασίζεται στην εργασία των Lemonis & Drakos (1995) και Lemonis (1995) και έχει περαιτέρω βελτιωθεί στο Εργαστήριο Τεχνικής Θερμοδυναμικής του Πανεπιστημίου Πατρών. Οι μετρήσεις διεξήχθησαν σε αριθμό Reynolds, ReD = 21000 σε αποστάσεις κατά μήκος της ροής ίσες προς x/D =1, 3, 6 και 11, όπου D είναι το πλάτος του ακροφυσίου. Η αξιοπιστία της κεφαλής 12-αισθητήρων εκτιμήθηκε σε σύγκριση με τα αποτελέσματα της κεφαλής αισθητήρων X. Τα αποτελέσματα από τις μετρήσεις του πεδίου ταχύτητας και με τις δύο κεφαλές είναι σε καλή συμφωνία, εκτός από τις θέσεις όπου οι μεγάλες χωρικές κλίσεις της ταχύτητας και η τρισδιαστατότητα του πεδίου ταχύτητας υπονομεύουν τις μετρήσεις με την κεφαλή αισθητήρων Χ. Οι στατιστικές ιδιότητες των πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας που υπολογίστηκαν από τις μετρήσεις με την κεφαλή 12-αισθητήρων εκτιμιούνται σε σύγκριση με πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα άλλων ερευνητών. Οι κατανομές των κυμαινόμενων πεδίων της ταχύτητας και στροβιλότητας δείχνουν ότι στην περιοχή του πυρήνα δυναμικού οι τιμές είναι αρκετά χαμηλές στον κεντρικό άξονα της δέσμης και αρκετά υψηλές στα διατμητικά στρώματα. Κατάντι της ροής οι διακυμάνσεις της ταχύτητας και στροβιλότητας μεταφέρονται από τα διατμητικά στρώματα προς το κέντρο και τις άκρες της δέσμης και οδηγούν στη συγχώνευση των διατμητικών στρωμάτων. Τα αποτελέσματα επιβεβαιώνουν επίσης τα υψηλά επίπεδα του ρυθμού εκφυλισμού (dissipation rate) στα διατμητικά στρώματα. Το ισοζύγιο της τυρβώδους ενέργειας παρουσιάζει σημαντικές διαφορές με το αντίστοιχο της επίπεδης δέσμης. Η σύγκριση των όρων της εξίσωσης της μέσης τετραγωνικής διακύμανσης της στροβιλότητας στη θέση x/D=11 δείχνει ότι η περιστροφή και η διάταση λόγω των διακυμάνσεων του ρυθμού παραμόρφωσης (strain rate) εξισορροπείται από τον ιξώδη εκφυλισμό της στροβιλότητας. Οι ανισοτροπίες στην εγγύς περιοχή της τυρβώδους ορθογωνικής δέσμης ερευνώνται και συζητούνται λεπτομερώς. Για την ερευνά της δομικής εξέλιξης της τυρβώδης ορθγωνικής δέσμης στην εγγύς περιοχή χρησιμοποιήθηκε επίσης και η μέθοδος PIV. Οι μετρήσεις με την μέθοδο PIV προσφέρουν το πλεονέκτημα της απεικόνισης της ροής μαζί με τη δυνατότητα καλύτερης κατανόησης των φαινόμενων της ροής, και ειδικότερα, πώς η δημιουργία, η αλληλεπίδραση και η συγχώνευση των στροβίλων συμβάλλουν στην ανάπτυξη της ορθογωνικής δέσμης. Τα αποτελέσματα των κατανομών φασμάτων ισχύος δείχνουν ότι μετά το τέλος του πυρήνα δυναμικού η ενισχυμένη συχνότητα αντιστοιχεί σε αριθμό Strouhal St=f•yc/U0≈0,11. Οι κατανομές της πυκνότητας ελικότητας στις περιοχές των διατμητικών στρωμάτων για x/D=3, 6, 11 δείχνουν μια τάση των ολικών διανυσμάτων της ταχύτητας και στροβιλότητας να ευθυγραμμιστούν. Από την άλλη, στις περιοχές των διατμητικών στρωμάτων για x/D=1 όπου το ολικό διάνυσμα της ταχύτητας είναι περίπου κάθετο προς την μέση ροή οι κατανομές παρουσιάζουν αντίθετη μορφή, όπως θα αναμενόταν. Η συλλογή πληροφοριών στην παρούσα έρευνα και η σύγκριση με τα ήδη υπάρχοντα στην βιβλιογραφία πειραματικά αποτελέσματα για τις τυρβώδες δέσμες αναμένεται να διευρύνουν περαιτέρω τη γνώση σχετικά με τη δομή των ελεύθερων διατμητικών ροών. / In the present work the three-dimensional velocity and vorticity vector fields in the near field of the rectangular turbulent jet with aspect ratio 6 have been experimentally investigated. Turbulent rectangular jets are prototypical free shear flows of practical interest in propulsion, combustion and environmental flows. The presented data, consisting of distributions of mean and statistical characteristics of the components of the two fields at several locations within the jet’s near field region, were obtained by using an in-house constructed 12-sensor hot wire probe consisting of three closely separated orthogonal 4-hot wire velocity arrays. The probe measures the three components of velocity simultaneously at three closely spaced locations. Spatial velocity derivatives are estimated using a forward difference scheme of first order accuracy. Streamwise velocity derivatives are estimated using Taylor’s frozen turbulence hypothesis. The 12-sensor construction and measurement technique relies upon previous work of Lemonis & Dracos (1995) and Lemonis (1995) and has been further improved and refined at the Laboratory of Applied Thermodynamics of the University of Patras. Measurements have been conducted in a jet with Reynolds number ReD = 21000 at nozzle distances, x/D =1, 3, 6 and 11, where D is the width of the nozzle. The performance of the 12-sensor probe is investigated in comparison with X-sensor probe measurements. Results referring to measurements of velocity with both sensors are in good agreement, except in locations where the steep velocity gradients and the three dimensionality of the velocity field undermine X-wire probe measurements. The statistical properties of the velocity-vorticity fields based on measurements with the 12-sensor probe are presented in comparison with several experimental and direct numerical simulation data of other researchers. Distributions of fluctuating velocity –vorticity fields show that in the potential core region the values are low on the centerline of the jet and quite high in the shear layers. Downstream the velocity-vorticity fluctuations spread from the shear layer towards the centre and the edge of the jet leading to merging of the two mixing layers. The results also confirm the high levels of dissipation rate in the shear layers. The turbulent energy balance shows important differences to that in plane jets. The budget of the transport equation for fluctuating enstrophy at x/D=11 indicates that the rotation and stretching by the fluctuating strain rate is balanced by the viscous dissipation of vorticity. The anisotropies in the near field of the turbulent rectangular jet are illustrated and discussed in detail. The structure development of a rectangular turbulent jet in the near field region has been also investigated experimentally using PIV. The results obtained with PIV measurements offer the advantages of flow visualization along with the possibility of better understanding the flow phenomena, in particular, how the formation, interaction and merging of vortices contribute to the development of the rectangular jet. The results of spectra distributions indicate that the most amplified frequency after the end of the potential core give rise to a Strouhal Number St=f•yc/U0≈0,11. In the regions of turbulent shear layers at x/D=3, 6, 11 the pdf’s of the relative helicity density h have shapes showing a preferred tendency for the total velocity and vorticity vectors to be aligned. On the other hand, in the regions of turbulent shear layers at x/D=1 where the total vorticity vector is more nearly orthogonal to the mean flow, the pdf’s show the opposite shape, as would be expected. Comparison and integration of the obtained information with the existing body of experimental evidence on turbulent rectangular jets is expected to enhance knowledge on the turbulence structure in free shear flows.

Ο σκοπός της παρούσας διατριβής είναι να μελετήσει τη μηχανική απόκριση α) απλά τοποθετημένων γραφενίων, 1LG, και β) πρότυπων πολυμερικών πολυστρωματικών νανοσυνθέτων, n-LG, κατά την εφαρμογή μονοαξονικών παραμορφώσεων μέσω της Φασματοσκοπίας Raman. Τα εξεταζόμενα n-LG παρασκευάστηκαν με την μέθοδο της μηχανικής αποφλοίωσης και τοποθετήθηκαν πάνω σε πολυμερικό υπόστρωμα χρησιμοποιώντας κολλητική ταινία. Η διατριβή χωρίζεται σε τρία μέρη α) στη φασματοσκοπία Raman των n-LG, β) στην απόκριση των n-LG υπό μονοαξονικές εφελκυστικές και θλιπτικές παραμορφώσεις, κάμπτοντας το πολυμερικό υπόστρωμα και γ) στην μεταφορά τάσης από το υπόστρωμα σε ένα ακάλυπτο 1LG. Αποτέλεσμα της φασματοσκοπίας Raman είναι ο προσδιορισμός των συχνοτήτων και των ευρών των χαρακτηριστικών κορυφών G και 2D και πώς αυτά μεταβάλλονται καθώς ο αριθμός των στρώσεων, n, αυξάνεται. Επίσης, παρατηρήθηκε η ύπαρξη παραμένουσας παραμόρφωσης, λόγω της μεθόδου μεταφοράς των n-LG πάνω στο πολυμερικό υπόστρωμα και της μορφολογίας του υποστρώματος. Επιπλέον, η παραμένουσα παραμόρφωση αυξάνεται μετα την επικάλυψη των n-LG από ένα λεπτό πολυμερικό υμένιο, με σκοπό την παρασκευή πρότυπων πολυμερικών νανοσυνθέτων υλικών. Κατά την επιβολή εφελκυστικών παραμορφώσεων τα απλά τοποθετημένα 1LG φαίνεται ότι «γλιστράνε» πάνω στο πολυμερικό υπόστρωμα, σε αντίθεση με τα επικαλυμμένα. Επίσης ο διαχωρισμός της κορυφής G στις συνιστώσες G- και G+, παρατηρείται σε όλα τα 1-, 2- και 3LG πρότυπα πολυμερικά σύνθετα υλικά. Αντιθέτως, ο διαχωρισμός της 2D παρατηρείται μόνο στη περίπτωση του 1LG και εξαρτάται από το μήκος κύματος, την πόλωση της προσπίπτουσας μονοχρωματικής ακτινοβολίας και τον κρυσταλλογραφικό προσανατολισμό του δείγματος με τον άξονα της παραμόρφωσης. Η συμπεριφορά των συχνοτήτων G-, G+ και 2D σε όλα τα πρότυπα πολυμερικά n-LG δείγματα είναι γραμμική με την παραμόρφωση και οι κλίσεις των ευθειών είναι σχεδόν παρόμοιες ~ -50 cm-1/%. Κατά την επιβολή θλιπτικών μονοαξονικών παραμορφώσεων η απόκριση των G και 2D κορυφών είναι μη γραμμικές για όλα τα n-LG. Η συμπεριφορά περιγράφεται από την θεωρία λυγισμού του Euler και η τιμή της κρίσιμης θλιπτική παραμόρφωση που επέρχεται λυγισμός, εc, εξαρτάται από το μέγεθος των εξεταζόμενων πρότυπων πολυμερικών νανοσύνθετών 1-LG. Τέλος, καταγράφηκε η διασπορά της τάσης για μονοαξονική εφελκυστική παραμόρφωση, συλλέγοντας λεπτομερώς φάσματα Raman κοντά στα άκρα ενός απλά τοποθετημένου 1LG. Για μηδενική παραμόρφωση, είναι εμφανές ότι η αποφλοίωση του γραφίτη ή η μορφολογία του υποστρώματος εισαγάγουν θλιπτικές διατμητικές παραμένουσες παραμορφώσεις στο 1LG. Επίσης, σημαντικοί παράμετροι όπως το μήκος που απαιτείται για την μεταφορά τάσης, 1/β, και το μέγιστο της διεπιφανειακής διατμητικής τάσης, ISSmax, που αναπτύσσεται σε κάθε επίπεδο παραμόρφωσης , προσδιορίστηκαν. Το μήκος μεταφοράς τάσης για το 1LG βρέθηκε να είναι μικρότερο του 1μm, και επιπλέον, κατά την επιβολή εφελκυστικής παραμόρφωσης στο υπόστρωμα, η τάση δεν μεταφέρεται 1LG μέσω διεπιφανειακής διάτμησης, αλλά απευθείας μέσω κύριων δυνάμεων. / The purpose of this thesis is to study the mechanical behaviour of a) simple supported graphene flakes, 1LG, and b) model polymeric multilayer graphene nanocomposites, n-LG, during the application of uniaxial strains, through Raman Spectroscopy. The investigated n-LG samples were prepared by the mechanical exfoliation method and are placed on a polymeric substrate by using a scotch tape. The thesis is divided in three parts, a) the Raman spectroscopy of n-LG, b) the response of the n-LG under uniaxial tensile and compressive strains, by bending the polymeric substrate and c) the stress transfer from the substrate to a simple supported 1LG sample. One result of the Raman spectroscopy is the determination of the frequencies and the widths of the G and 2D peaks and the way they shift, while the number of layers, n, is increased. Also, the presence of initial residual strain is observed due to the method that the n-LG are transferred on the polymeric substrate and also the morphology of the substrate. Moreover, the residual strain increases after the covering of the n-LG flakes by a thin polymeric layer, in order to prepare model polymeric nanocomposites materials. During the application of the tensile strains the simple supported 1LG flakes seem to slip on the polymeric substrate, in the contrary of the covered ones. Also, the splitting of the G peak to the G+ and G- components is observed in all 1-,2- and 3LG model polymeric nanocomposites samples. On the other hand, the splitting of the 2D peak is observed only in the cases of 1LG and depends on the excitation wavelength, the polarization of the incident light and the crystal orientation of the flake with respect to the strain axis. The behaviours of the frequencies G+, G- and 2D peaks in all model polymeric n-LG nanocomposites samples are linear with strain and the slopes are almost the same ~ -50cm-1/%. On applying compressive uniaxial strain the response of G and 2D peaks are not linear in all model polymeric n-LG samples and the behaviour is described by the Euler’s buckling theory and the value of the critical buckling strain, εc, depends on the size of the investigated model polymeric nanocomposites1LG. Finally, the stress distribution for uniaxial tensile strains was recorded, by collecting in detailed Raman spectra near the edges of a simple supported 1LG on a polymeric substrate. For zero strain it is obvious that the mechanical exfoliation technique of graphite or the morphology of the substrate induce compressive shear residual strain on the 1LG. Also, important parameters such as the stress – transfer length, 1/β, and the maximum value of interfacial shear , ISSmax, that is developed in each strain level were determined. The stress – transfer length from the 1LG edges found to be less than 1 μm, and moreover, during the application of tensile strain to the substrate, the stress is not transferred to the 1LG through interfacial shear but by direct normal forces.

Η παρούσα διπλωματική εργασία εστιάζει στη μελέτη των πετρωμάτων που φιλοξενούν τη μεταλλοφορία ψευδαργύρου, αργύρου και μολύβδου στην ευρύτερη περιοχή των Μολάων Λακωνίας. Οι κύριοι σχηματισμοί που εντοπίζονται στην υπό μελέτη περιοχή είναι η ενότητα της Άρνας και τα στρώματα του Τυρού. Σκοπός της εργασίας αυτής είναι η πετρογραφική και γεωχημική μελέτη των δύο προαναφερθέντων σχηματισμών, ώστε να καταστούν κατανοητές οι συνθήκες σχηματισμού. Πραγματοποιήθηκαν 9 χημικές αναλύσεις σε ηφαιστειακά πετρώματα των στρωμάτων του Τυρού για κύρια στοιχεία, ιχνοστοιχεία και σπάνιες γαίες, παράλληλα μελετήθηκαν και 15 πετρογραφικές λεπτές τομές των ηφαιστειτών αυτών. Τα δεδομένα συμπληρώθηκαν με 14 χημικές αναλύσεις κύριων στοιχείων και 9 χημικές αναλύσεις ιχνοστοιχείων των πετρωμάτων της ενότητας της Άρνας από βιβλιογραφική πηγή. Τα ηφαιστειακά πετρώματα των στρωμάτων του Τυρού αποτελούν ηφαιστείτες με εύρος συστάσεων από ανδεσιτικό βασάλτη έως δακίτη. Φέρουν ασβεσταλκαλικό χαρακτήρα με ελαφρά θολεϊτική τάση. Επίσης, προβάλλονται στα πεδία των θολεϊτών ηφαιστειακού τόξου, καθώς και σε ζώνη καταβύθισης των λιθοσφαιρικών πλακών. Ορισμένα εκ των δειγμάτων έχουν μεταμορφωθεί σε πρασινοσχιστολιθική φάση, ενώ στην πλειοψηφία των φέρουν έντονη εξαλλοίωση. Τα πετρώματα της ενότητας της Άρνας αποτελούν μεταηφαιστειακά πετρώματα βασαλτικής σύστασης. Φέρουν σαφή θολεϊτικό χαρακτήρα και προβάλλονται στο πεδίο των βασαλτών μεσωκεάνιας ράχης. / This thesis focuses on the study of the rocks that host the metalliferous of zinc, silver and lead in the wider area of Molai, Laconia. The main formations, which are spotted in the under study area, are the section of Arna Units and the Tyros Beds. The purpose of this work is the petrographic and geochemical study of the two formations mentioned above, so that the conditions of the formation become comprehensible. Nine chemical analysis were carried out in volcanic rocks of Tyros Beds for main elements, trace elements and rare earth elements, while at the same time fifteen petrographic thin sections of those volcanic rocks were studied. The data was complete with fourteen chemical analysis of main elements and nine chemical analysis of trace elements of the Arna Units from a bibliographical source. The volcanic rocks of Tyros Beds are volcanic rocks with amplitude of composition from andesitic basalt to dacite. They have calc-alcaline nature with a slight tholeitic tendency. Also, they are displayed / projected in the fields of the volcanic arc’s tholeites as well as in the zone of the lithospheric plates’ submersion. Some of the samples have been transformed into a greenschist phase, while the majority has an intense alteration. The rocks of Arna Units are metavolcanic rocks with basaltic composition. They have a clear tholeitic nature and they are displayed in the field of the basalts of the mid ocean ridge.