Approved for public release, distribution is unlimited / Ensign, United States Navy

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.

Shang Xiandong. / "September 2002." / Thesis (Ph.D.)--Chinese University of Hong Kong, 2002. / Includes bibliographical references (p. 141-146). / Electronic reproduction. Hong Kong : Chinese University of Hong Kong, [2012] System requirements: Adobe Acrobat Reader. Available via World Wide Web. / Mode of access: World Wide Web. / Abstracts in English and Chinese.

Doctor of Philosophy(PhD) / This body of research uses numerical and experimental investigative techniques to further the understanding of autoignition. Hydrogen/nitrogen and methane/air fuel configurations of turbulent lifted flames in a vitiated coflow burner are used as model flames for this investigation. Characterisation was undertaken to understand the impact of controlling parameters and the overall behaviour of the flames, and to provide a body of data for modelling comparisons. Modelling of the flames was conducted using the PDF-RANS technique with detailed chemistry incorporated using In-situ Adaptive Tabulation (ISAT) within the commercial CFD package, FLUENT 6.2. From these investigations, two numerical indicators for autoignition were developed: convection-reaction balance in the species transport budget at the mean flame base; and the build-up of ignition precursors prior to key ignition species. These indicators were tested in well defined autoignition and premixed flame cases, and subsequently used with the calculated turbulent lifted flames to identify if these are stabilised through autoignition. Based on learnings from the modelling, a quantitative, high-resolution simultaneous imaging experiment was designed to investigate the correlations of an ignition precursor (formaldehyde: CH2O) with a key flame radical (OH) and temperature. Rayleigh scattering was used to measure temperature, while Laser Induced Fluorescence (LIF) was used to measure OH and CH2O concentrations. The high resolution in the Rayleigh imaging permitted the extraction of temperature gradient data, and the product of the OH and CH2O images was shown to be a valid and useful proxy for peak heat release rate in autoigniting and transient flames. The experimental data confirmed the presence of formaldehyde as a precursor for autoignition in methane flames and led to the identification of other indicators. Sequenced images of CH2O, OH and temperature show clearly that formaldehyde exists before OH and peaks when autoignition occurs, as confirmed by images of heat release. The CH2O peaks decrease later while those of OH remain almost unchanged in the reaction zone.

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L'objet de cette thèse est d'étudier expérimentalement et théoriquement les régimes permanents et oscillants observés lors de la vidange et du remplissage de réservoirs. La première partie concerne l'étude de la vidange continue d'un tube par l'intermédiaire d'une bulle infinie (bulle de Dumitrescu-Taylor). L'étude expérimentale de la dynamique de ces bulles est menée en fonction de la forme de la section du tube, de la viscosité et de la tension de surface. Dans le domaine des grands nombres de Reynolds, la longueur pertinente pour l'étude de la dynamique s'avère être le périmètre mouillé tandis qu'`a faible nombre de Reynolds, c'est la surface de la section qui pilote la dynamique. La seconde partie est consacrée `a l'étude aux temps longs (régime permanent) du remplissage et de la vidange de réservoirs cylindriques. On montre expérimentalement que les bulles infinies jouent un rôle central dans les processus de vidange et de remplissage de réservoirs. Le temps court des oscillations, i.e. la période d'apparition des bulles d'air, est ensuite étudié dans les deux configurations vidange-remplissage. Dans le cas de la vidange, le rôle de la poche d'air compressible présente au fond du tube est mis en évidence ; ce phénomène s'apparente au "glouglou" de la bouteille que l'on vide. Dans le cas du remplissage, on montre la présence d'un oscillateur de nature différente.

Les ferrofluides sont des colloïdes stables de nanoparticules. L'action d'un champ magnétique est à même d'engendrer diverses instabilités hydrodynamiques, qui se produisent aux interfaces ou en volume. Après une courte introduction aux ferrofluides, trois situations sont examinées. Les ondes de surface sont amplifiées par un champ magnétique normal à l'interface, conduisant à l'instabilité de Rosensweig. Une expérience est réalisée pour mesurer la relation de dispersion obtenue théoriquement par l'analyse linéaire. La méthode ombroscopique employée permet de visualiser une déformation prétransitionnelle de l'interface, ainsi que l'apparition d'ondes azimutales au voisinage du champ critique de l'instabilité. La résistance de vague est la force qui s'oppose au déplacement d'un objet en surface,causée par l'émission d'ondes de surface. Si sa taille est très petite devant la longueur capillaire, la résistance de vague est nulle en deçà d'une vitesse critique, puis fonction croissante de la vitesse de déplacement. Une expérience a été réalisée afin d'observer ces prédictions théoriques récentes. Des fluides de différentes viscosités ont été employés. Avec des ferrofluides, il est possible de réduire a volo la vitesse critique. Dans tous les cas, le phénomène critique est bien observé conformément à la théorie. Cependant, la résistance de vague paraît être une fonction non-monotone de la vitesse. Enfin, les propriétés originales des ferrofluides permettent de concevoir une expérience de convection magnéto-calorique en géométrie centrale, en tous points semblable à la convection de Rayleigh-Bénard. Moyennant l'utilisation de lois d'échelle appropriées, un modèle de laboratoire est élaboré qui simule la convection dans le manteau terrestre!: le nombre de Rayleigh avoisine le million. Le champ de température est observé par thermographie infrarouge. Des cellules de convection mobiles sont observées, et le nombre de Nusselt est obtenu en fonction du nombre de Rayleigh.

LES MÉCANISMES DE CROISSANCE OPTIMALE DANS DES ÉCOULEMENTS DE CISAILLEMENT CONFINES, EN PARTICULIER LES ÉCOULEMENTS DE COUETTE PLAN ET POISEUILLE PLAN, LORSQU'ILS SONT SOUMIS OU NON À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT NORMAL À LA PAROI SONT ÉTUDIÉS EN DÉTAIL. DANS LE CAS D'UN FLUIDE DE BOUSSINESQ SOUMIS À UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE TRANSVERSE, UNE ANALYSE EXHAUSTIVE DE STABILITÉ NON MODALE EST EFFECTUÉE POUR DIFFÉRENTS NOMBRES DE REYNOLDS, DE RAYLEIGH ET DE PRANDTL. ON MONTRE QUE LES LOIS D'ÉCHELLE RELATIVES À LA CROISSANCE TRANSITOIRE DANS DES ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS SONT ROBUSTES, Y COMPRIS EN PRÉSENCE D'UN GRADIENT DE TEMPÉRATURE DÉSTABILISANT. L'EFFET DE ''LIFT-UP" RESTE LE MÉCANISME PRÉDOMINANT DE CROISSANCE TRANSITOIRE. LE MÉCANISME DE ''LIFT-UP" NON VISQUEUX CLASSIQUE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS COURTS ALORS QUE LE MODE PROPRE DE RAYLEIGH-BÉNARD SANS SA COMPOSANTE DE VITESSE LONGITUDINALE CARACTÉRISE LE COMPORTEMENT AUX TEMPS LONGS. LA COURBE DE GAIN OPTIMAL EST AINSI DÉCRITE ET INTERPRÉTÉE ENTIÈREMENT. DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PURS, LE RÔLE DE TRANSFORMATION DE SQUIRE EST ÉTENDUE À LA CROISSANCE TRANSITOIRE OPTIMALE D'UNE PERTURBATION ARBITRAIRE 3D DANS LE CAS D'ÉCOULEMENTS CISAILLES PARALLÈLES D'EXTENSION TRANSVERSE FINIE. CELA PERMET AUSSI DE DÉMONTRER QUE LES CROISSANCES OPTIMALES AUX TEMPS LONGS POUR DES PERTURBATIONS DE NOMBRE D'ONDE ARBITRAIRES PEUVENT ÊTRE DÉCOMPOSÉES COMME UN PRODUIT DES GAINS RESPECTIFS RÉSULTANT DU MÉCANISME D'ORR 2D ET DU MÉCANISME DE " LIFT-UP ".

Les nanotubes de carbone dont les deux tiers sont des semi-conducteurs à gap direct, ont des propriétés optiques originales dominées par le caractère undimensionel du confinement quantique imposé aux électrons. Ceci donne naissance à des excitons très fortement liés dont nous avons étudié la structure fine par des techniques de photoluminescence et de diffusion Rayleigh. Par ailleurs, l'étude de la dynamique des excitations élémentaires (à l'échelle sub-pico-seconde), nous a permis de mettre en évidence le rôle prépondérant des interactions avec l'environnement sur les propriétés de ces objets dont tous les atomes sont en surface. Dans une dernière partie, nous montrons comment tirer partie de cette interaction en fonctionnalisant les nanotubes avec des chromophores organiques dans le but de réaliser des dispositifs opto-électroniques de conversion d'énergie lumineuse.

Cette thèse a porté sur la réalisation et la caractérisation d'une source paramétrique guidée en GaAs/AlGaAs. Grâce à son design, basé sur la biréfringence de forme, celle-ci permet la génération paramétrique sur une gamme spectrale allant de 1.2 à 2.4 µm. Cette propriété optique et sa taille réduite font d'un tel dispositif un candidat pour la fabrication d'un oscillateur paramétrique optique intégré. Néanmoins, au cours de sa fabrication, les pertes optiques guidées augmentent de 0.1 à 0.5 cm-1 suite à l'oxydation sélective des couches riches en aluminium, les transformant en AlOx. A travers une étude par microscopie électronique en transmission, nous avons tout d'abord caractérisé les propriétés structurales et chimiques de l'AlOx et des interfaces GaAs/AlOx. Nous avons ainsi constaté une augmentation de la rugosité de ces interfaces et une modification locale des couches de GaAs induites par l'étape d'oxydation. Dans un second temps, nous avons caractérisé certaines propriétés optiques des guides d'ondes. Un calcul semi-analytique nous a permis d'établir la valeur des pertes de propagation, en bon accord avec les mesures expérimentales, induite par la rugosité des interfaces GaAs/AlOx. Nous avons ensuite établi les conditions d'oxydation optimales en mesurant systématiquement les pertes de propagation. Nous avons caractérisé les performances de notre source en effectuant la première mesure d'amplification paramétrique dans un guide d'ondes semi-conducteur. Le coefficient de gain paramétrique mesuré, compatible avec l'obtention de l'oscillation paramétrique, nous a amené à concevoir, fabriquer et caractériser différentes cavités résonnantes.