Magnetic fields are fundamental to the structure and dynamics of the Sun’s corona. Observations show them to be locally complex, with highly sheared and twisted fields visible in solar filaments/prominences. The free magnetic energy contained in such fields is the primary source of energy for coronal mass ejections, which are important—but still poorly understood drivers of space weather in the near-Earth environment. In this thesis, a new model is developed for the evolution of the large-scale magnetic field in the global solar corona. The model is based on observations of the radial magnetic field on the solar photosphere (visible surface). New active regions emerge, and their transport and dispersal by surface motions are simulated accurately with a surface flux transport model. The 3D coronal magnetic field is evolved in response to these photospheric motions using a magneto-frictional technique. The resulting sequence of nonlinear force-free equilibria traces the build-up of magnetic helicity and free energy over many months. The global model is applied to study two phenomena: filaments and coronal mass ejections. The magnetic field directions in a large sample of observed filaments are compared with a 6-month simulation. Depending on the twist of newly-emerging active regions, the correct chirality is simulated for up to 96% of filaments tested. On the basis of these simulations, an explanation for the observed hemispheric pattern of filament chirality is put forward, including why exceptions occur for filaments in certain locations. Twisted magnetic flux ropes develop in the simulations, often losing equilibrium and lifting off, removing helicity. The physical basis for such losses of equilibrium is demonstrated through 2D analytical models. In the 3D global simulations, the twist of emerging regions is a key parameter controlling the number of lift-offs, which may explain around a third of observed coronal mass ejections.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Ce travail porte sur l’étude de la propagation de décharges couronnes impulsionnelles à pression atmosphérique dans les milieux poreux et/ou alvéolaires. Face à la complexité des phénomènes mis en jeu, liés aux interactions entre la décharge et les surfaces du matériau qui la confine, nous proposons l’étude de décharges confinées par des structures élémentaires. L’étude du confinement radial des décharges, assuré par un large panel de capillaires, a été réalisée. Des diagnostics électriques et optiques de pointe permettent d’étudier la propagation de la décharge au sein des différents capillaires. La corrélation entre ces diagnostics a même permis des mesures de vitesse de propagation au sein de capillaires opaques. Les résultats montrent que la propagation de la décharge dépend grandement de la géométrie des capillaires et des paramètres électriques de génération de la décharge. Dans le cas de sections carrées ou rectangulaires, les arêtes induisent un renforcement local du champ qui attire la décharge. Dans le cas de capillaires cylindriques, le diamètre interne est le paramètre crucial qui détermine aussi bien la structure de la décharge que sa vitesse de propagation. Quelle que soit la nature du capillaire, la propagation présente alors une vitesse optimale à tout autre paramètre constant pour une valeur donnée du diamètre interne. Dans le cas du verre, la vitesse est maximale pour un diamètre interne de 200 µm. L’épaisseur et la permittivité diélectrique du capillaire possèdent également une influence sur la propagation de la décharge radialement confinée. Ainsi, diminuer l’épaisseur ou la permittivité diélectrique engendre une accélération de la décharge. Si l’épaisseur est très faible, la décharge peut même se déconfiner pour se propager à l’extérieur du capillaire. Une étude spectroscopique complémentaire montre que la réduction du diamètre de confinement implique une augmentation de la température du plasma, ce qui pourrait contribuer à l’obtention de ce profil de vitesse en fonction du diamètre de confinement. L’étude du confinement axial des décharges a ensuite été réalisée en insérant des membranes de différentes natures et caractéristiques, perpendiculairement à l’axe pointe plan. Les résultats montrent que la décharge présente une propagation en trois étapes : pointe/membrane, radialement au voisinage de la membrane, puis membrane/plan. Dans cette étude, nous avons mis en évidence l’importance du critère poreux ou non de la membrane. Dans le cas poreux, la propagation de la décharge dans l’ensemble du gap est continue, même pour des pores de l’ordre de la dizaine de µm. Dans le cas non poreux, la propagation est discontinue, et il est nécessaire pour assurer la propagation dans l’ensemble du gap qu’un ré-allumage ait lieu de l’autre côté de la membrane. Après l’instant de l’impact sur la membrane, la décharge marque un arrêt qui correspond à la réorganisation des charges et à la restructuration du champ électrique dans le gap. Elle se propage ensuite radialement au voisinage de la membrane en plusieurs fronts d’ionisation. Si les conditions de claquage sont réunies dans le volume membrane/plan, alors un ré-allumage apparaît à partir de la membrane pour atteindre le plan. L’étude de ces ré-allumages semble montrer l’importance de la position de la membrane au sein de l’espace inter-électrodes et de la dynamique des charges aux surfaces de la membrane. Plus on diminue la distance membrane/plan, plus il est facile d’en observer. Nous montrons également que la diminution de la permittivité diélectrique de la membrane ou l’augmentation de son épaisseur, semble augmenter la probabilité de ces ré-allumages. Dans le cas poreux, nous avons également mis en évidence l’influence de la taille des pores de la membrane sur l’ensemble des étapes de propagation. Lorsque la porosité est inférieure à 100 µm la propagation de la décharge est ralentie du fait de la difficulté de la décharge à traverser directement le matériau. / This study is an attempt to understand the mechanisms involved in the propagation of pulsed corona discharges at atmospheric pressure inside porous and/or alveolar media. Due to the complexity of these phenomena which hardly depends on plasma/surface interactions, the study was focused first on the propagation inside basic structures of confinement, before doing it in more complex media, such as monolithic cordierites or foams. Therefore, capillaries have been used to radially confine the discharge propagation. Thanks to highly resolved optical and current diagnostics, we succeed in describing precisely the propagation. A correlation of these diagnostics allowed us to measure propagation velocity inside opaque media. Results show that geometry is the key parameter which both governs the discharge structure and the propagation velocity. Electrical parameters of the discharge ignition have a great role in the propagation also. In case of square and rectangular capillaries, the local electric field enhancement due to edges attracts the discharge. In case of round capillaries, the internal diameter becomes the key parameter which governs the pattern of the discharge and its velocity. Whatever the kind of capillary used, the velocity of propagation shows an optimal value for a given internal diameter, at all others parameters constants. In case of glass capillaries, this maximum value is obtained for a 200 µm internal diameter. Parameters such as wall thickness or dielectric permittivity have also an influence on the propagation velocity. The decrease of the thickness or the dielectric permittivity implies an increase of the propagation velocity. If the thickness is small enough, we observe that the discharge is able to propagate outside the tube. A complementary spectroscopic study of that kind of discharge shows that the plasma temperature depends on the internal diameter, and warming observed for smallest internal diameters could contribute to the internal diameter/velocity of propagation relation. The study of the axial confinement of the propagation of the discharge has been made thanks to different kinds of dielectric membranes, perpendicularly inserted between the electrodes. Results show that the propagation of the discharge is a three step process: tip to membrane propagation, radial propagation near the membrane surfaces, and membrane to plane propagation under specific conditions. The porous feature of the membrane has a key role in the propagation. In case of porous membranes, the whole propagation in the gap is continuous, even for the smallest porosities under investigations (~10µm). In case of non porous films, the propagation by three step processes is no more continuous, and the propagation in the entire gap needs a re-ignition of the discharge on the other side of the membrane. After its impact on the membrane, the discharge stops on the dielectric while the charges and the electric field are self reorganized. Then a radial propagation of several ionization waves starts near the membrane surface. If the disruptive voltage is reached behind the obstacle, a re-ignition could occur in the membrane/plane gap and reach the cathode. Investigation on these reignition conditions shows that the key parameters seem to be the position of the membrane inside the gap and the dynamics of the surface charges on the membrane. Closer is the membrane to the plane, higher is the probability of seeing re-ignitions. Results also show that the decrease of the dielectric permittivity or the increase of the membrane thickness leads to more re-ignition events. In case of porous membrane, the pore size is the main parameter which will influence the propagation. When the pore size is below 100 µm, the discharge propagation is slower due to the discharge difficulties to penetrate totally inside the material.

Flows, instabilities, and magnetism play significant roles in the internal and atmospheric dynamics of objects ranging from the smallest exoplanets to the largest stars. These phenomena are governed by the equations of magnetohydrodynamics (MHD), which link the flows and magnetic fields, and from which the operational parameters and growth rates of instabilities can be recovered. Here we present an overview of interesting phenomena (such as the internal dynamics of stellar and planetary objects, as well as instabilities which might operate within these environs), as well as computational techniques by which these phenomena might both be understood and analysed (through both ‘simplifications’ of the MHD equations and different numerical/computational approaches). We first present an investigation into the Heat-Flux-Driven Buoyancy Instability (HBI) within stellar and planetary atmospheres, considering both the parameter space it might operate within as well as its non-linear effects during said operation. We find that whilst the HBI may be able to play a role in Solar, stellar and planetary atmospheres, it is likely to be quite limited in scope, only operating within small regions. However, its dramatic consequences for heat transport in the non-linearly evolved state, and the prospects that it may operate outside the narrow regimes that our analytical analysis suggested, suggest that it may merit further study. This is followed with a discussion of a method by which the surface flows of exoplanets might be measured: The Rossiter-Mclaughlin Effect at Secondary Eclipse (RMse). We formulate the effect, showing that the formalism is identical to the traditional Rossiter-Mclaughlin effect, albeit in a different frame (a planet transiting a star becomes a star transiting a planet), and consider its observational implications: the effect should be observable for the brightest planet hosting stars using upcoming 40m-class telescopes (i.e.E-ELT). We finish with a series of 3D anelastic simulations of fully convective stars, designed to investigate how the internal flows are affected by varying stellar parameters, as well as a possible link between residual entropy and differential rotation contours, and a method by which this link can be used (via the thermal wind equation - TWE) to extrapolate the internal rotation. We find a clear transition between ‘solar-like’ and ‘anti-solar’ internal dynamics, characterised in the meridional circulation, differential rotation, residual entropy, and angular momentum flux profiles. Furthermore we find that, whilst the alignment between residual entropy and differential rotation contours is somewhat varied, the resultant extrapolation, via the TWE, produces a generally good fit to the differential rotation contours, suggesting a general robustness to the theory.

Modelling the ice accretion in glaze regime for the supercooled large droplets is one of the most challenging problems in the aircraft icing field. The difficulties are related to the presence of the liquid water film on the surface in the glaze regime and also the phenomena associated with SLD conditions, specifically the splashing and re-impingement. The steady improvement of simulation methods and the increasing demand for highly optimised aircraft performance, make it worthwhile to try to get beyond the current level of modelling accuracy. A semi-empirical method has been presented to characterize the thin water film in the icing problem based on both analytical and experimental approaches. The experiments have been performed at the Cranfield icing facilities. Imaging techniques have been used to observe and measure the features of the thin water film in the different conditions. A series of numerical simulations based on an inviscid VOF model have been performed to characterize the splashing process for different water film to droplet size ratios and impact angles. Based on these numerical simulations and the proposed methods to estimate the thin water film thickness, a framework has been presented to model the effects of the splashing in the icing simulation. These effects are the lost mass from the water film due to the splashing and the re-impingement of the ejected droplets. Finally, a new framework to study the solidification process of the thin water film has been explored. This framework is based on the lattice Boltzmann method and the preliminary results showed the capabilities of the method to model the dynamics, thermodynamics and the solidification of the thin water film.

Cette thèse est dédiée à la modélisation des réacteurs plasmas utilisant des décharges électriques de type couronne pour la décontamination des gaz. Ces réacteurs ont notamment la possibilité de traiter les agents polluants lorsqu'ils sont présents en très faible concentration (quelques centaines de ppm) dans un mélange gazeux. Cependant, chaque traitement demande des paramétrages spécifiques du réacteur qui est le plus souvent étudié en " boîte-noire " c'est-à-dire en bilan énergétique moyen et en taux de conversion entrée-sortie. En effet, les phénomènes in situ à l'origine de la transformation des polluants sont très localisés et fortement instationnaires. Ils sont donc quasiment inaccessibles à la mesure expérimentale. Ainsi, le but de cette thèse est la mise au point d'une simulation performante, capable d'expliquer les processus réactifs, énergétiques et hydrodynamiques qui prennent naissance dans les canaux filamentaires des décharges et qui s'étendent progressivement à l'ensemble du volume du réacteur. Ce type de modélisation permettra à l'avenir d'aider au design des réacteurs et de minimiser leurs coûts de développement. La thèse est découpée en 5 chapitres principaux en plus de l'introduction et de la conclusion générale. Le premier chapitre décrit les principales caractéristiques des décharges couronne de type streamer à la pression atmosphérique ainsi que l'ensemble des phénomènes énergétiques, hydrodynamiques et cinétiques qui sont activés par leur passage. Le second chapitre présente les équations des modèles de la décharge et de l'écoulement réactif. Ce dernier est modélisé par les équations fluides d'un mélange réactif couplé avec l'équation de conservation de l'énergie des états vibrationnels. Un état de l'art de la modélisation des réacteurs corona est présenté suivi de la description du logiciel FLUENT choisi pour résoudre le système d'équations du modèle développé. Le chapitre 3 est dédié à la validation du modèle et des couplages décharge-gaz dans une configuration géométrique 2D. Les conditions de simulation sont celles d'une configuration expérimentale d'un réacteur mono-pointe plan développé dans le groupe et fonctionnant avec de l'air synthétique dans les conditions ambiantes de température et de pression. Les termes sources permettant de prendre en compte le passage périodique des décharges sont estimés à partir d'une simulation validée du développement des primary et secondary streamers. La simulation de l'écoulement prend en compte 10 espèces chimiques (dont les états métastables de la molécule d'azote et d'oxygène) réagissant selon 23 réactions. Les résultats ont permis de valider la procédure d'intégration des termes sources et de suivre en détail les variations de la température du gaz et des espèces chimiques en fonction du type d'écoulement (laminaire ou turbulent), de son orientation et du nombre de décharge traversant le gaz. Le chapitre 4 concerne la simulation 2D d'un réacteur multi-pointes-plan (jusqu'à 10 pointes) sur des durées allant jusqu'à 10ms avec une fréquence de répétition des décharges de 10kHz. Les simulations réalisées permettent de suivre et d'expliquer en détail la formation d'ozone puis la transformation d'un polluant test (de l'oxyde d'azote NO) en fonction du nombre de pointes en activité et des propriétés de l'écoulement. Enfin, le dernier chapitre montre les premiers résultats obtenus en 3D dans un cas mono-pointe et multi-pointe-plan.

Modelling the ice accretion in glaze regime for the supercooled large droplets is one of the most challenging problems in the aircraft icing field. The difficulties are related to the presence of the liquid water film on the surface in the glaze regime and also the phenomena associated with SLD conditions, specifically the splashing and re-impingement. The steady improvement of simulation methods and the increasing demand for highly optimised aircraft performance, make it worthwhile to try to get beyond the current level of modelling accuracy. A semi-empirical method has been presented to characterize the thin water film in the icing problem based on both analytical and experimental approaches. The experiments have been performed at the Cranfield icing facilities. Imaging techniques have been used to observe and measure the features of the thin water film in the different conditions. A series of numerical simulations based on an inviscid VOF model have been performed to characterize the splashing process for different water film to droplet size ratios and impact angles. Based on these numerical simulations and the proposed methods to estimate the thin water film thickness, a framework has been presented to model the effects of the splashing in the icing simulation. These effects are the lost mass from the water film due to the splashing and the re-impingement of the ejected droplets. Finally, a new framework to study the solidification process of the thin water film has been explored. This framework is based on the lattice Boltzmann method and the preliminary results showed the capabilities of the method to model the dynamics, thermodynamics and the solidification of the thin water film.

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Esta tesis tiene como objetivo analizar todas las representaciones medievales del rey de Aragón, establecer las tipologías, observar cómo se adaptan las fórmulas de la Antigüedad o de la Europa Medieval, evidenciar las novedades y averiguar si surgieron como respuestas a las particularidades históricas, a las nuevas concepciones de poder, a la personalidad de los monarcas o a las circunstancias de finalidad y uso de cada obra específica. Se ofrece un inédito corpus de obras y un discurso pormenorizado sobre la iconografía regia a lo largo de seis siglos. Se han procurado localizar los precedentes y consecuentes de cada representación, se han rastreado los impulsos que llevaron a su promoción y se han apuntado los cambios más significativos y sus motivos, algunos ya advertidos por otros autores y otros señalados en forma de hipótesis que tienen en consideración el contexto en el cual cada imagen fue creada. / This thesis aims to analyze all the medieval representations of the king of Aragon in order to establish the different types of representation, to see how they adapt the iconographies of Antiquity and Medieval Europe, to highlight new developments and to determine if they arose as a response to historical particularities, to new concepts of power, to the personality of the monarch, or to the purpose for which each work was commissioned. The thesis offers an unprecedented corpus of images and a detailed discussion of the royal iconography over six centuries. It tries to determine the precedents and consequences of each representation and the impulses that led to its commission. Likewise, it highlights the most significant changes and the reasons for these. Some of these changes have already been described by other authors, whereas others are presented here for the first time in form of hypotheses that take into consideration the context in which each image was created