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Etude théorique et numérique de quelques problèmes d'écoulements et de chaleur hyperboliqueBoussetouan, Imane 10 December 2012 (has links) (PDF)
Ce travail de thèse a pour but d'étudier des écoulements non stationnaires de fluides incompressibles Newtoniens et non isothermes. Le problème est décrit par les lois de conservation de la masse, de la quantité de mouvement et de l'énergie. Nous nous intéressons au couplage entre le système de Navier-Stokes et l'équation de la chaleur hyperbolique (le résultat de la combinaison entre la loi de conservation d'énergie et la loi de Cattaneo). Cette dernière est une modification de la loi de Fourier utilisée habituellement, elle permet de surmonter ''le paradoxe de la chaleur'' et d'obtenir une description plus précise de la propagation de la chaleur. Le système couplé est un problème hyperbolique-parabolique dont la viscosité dépend de la température, alors que la capacité thermique et le terme de dissipation dépendent de la vitesse. Afin d'obtenir un résultat d'existence de solutions du problème couplé, nous démontrons d'abord l'existence et l'unicité de la solution du problème hyperbolique puis nous introduisons une discrétisation en temps et nous étudions la convergence des solutions approchées vers celles du problème original. Dans un deuxième temps nous étudions l'existence et l'unicité de la solution du système de Navier-Stokes muni des conditions aux limites de type Tresca puis de type Coulomb en dimension 2 et 3. Dans le chapitre 3, nous proposons une discrétisation en temps du problème d'écoulement dans le cas de la condition au limite de type Tresca et nous établissons la convergence des solutions approchées. Le dernier chapitre de ce mémoire est consacré à l'étude du problème couplé dans le cas de conditions aux limites de type Tresca. L'existence d'une solution est obtenue par un argument théorique de point fixe en dimension 2 et également par une méthode de discrétisation en temps qui conduit à résoudre sur chaque sous intervalle de temps un problème découplé pour la vitesse et la pression d'une part et la température d'autre part.
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State-of-Charge Estimations for Lead-Acid and Lithium-Ion BatteriesChen, Yi-Ping 08 July 2007 (has links)
This thesis studies State-of-Charge (SOC) method for widely used lead-acid batteries and the most prospective lithium-ion batteries. First, the relationship between the battery capacity and the open-circuit-voltage under different charging/discharging currents is investigated based on the equivalent circuit. Experimental results indicate that the open-circuit-voltage of the lead-acid battery varies regularly with the charging/discharging current and the duration of time for the battery disconnected from the load. Accordingly, a dynamic open-circuit-voltage method in considerations the open-circuit-time and the previous operating current is capable of precisely estimating the battery capacity in a shorter time. As for the lithium-ion batteries, their charging/discharging characteristics reveal that the Coulomb/Ampere-Hour Counting method is capable of yielding accurate estimations. Finally, through the experiments that emulate practical operations, the SOC estimations of batteries are verified to demonstrate the effectiveness and accuracy of the proposed methods.
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Numerical Analysis Of Large Size Horizontal Strip AnchorsKrishna, Y S R 07 1900 (has links)
Structures like transmission towers, tele-communication masts, dry-docks, tall chimneys, tunnels and burried pipelines under water etc are subjected to considerable uplift forces. The net effect of external loading on the foundations of these structures results in forces that try to pull the foundations out of the ground. Anchors are usually provided to resist such uplift forces.
Earlier theoretical research of anchor behavior has focused on elastic response and ultimate pullout capacity. Many investigators have proposed techniques for determining the collapse load of anchors. Essentially the approaches involve the use of limit equilibrium concepts, with some assumptions regarding the shape of the failure surface and/or the influence of the soil above the anchor. The possible effect of dilatency and initial stress state are not considered in these methods. A number of investigators have used the results of small size model anchors to understand the behavior and extrapolated the results for predicting the behavior of large sized anchors. This has lead to unsatisfactory results. It has been clearly shown by Dickin (1989) that the failure displacements and load displacement curve patterns are very different for small and large sized anchors, i.e. they are not just proportional to the size of the anchor. Critical pullout load and the load displacement behavior are required for the complete analysis of anchor foundations. Though, many theories have been proposed to predict the uplift capacity within the limits of accuracy required at engineering level, at present no simple rational method is available for computing deformations.
In the present investigation attempts have been made to analyze the load deformation behavior of large size strip anchors in sands, clays and layered soils using two-dimensional explicit finite difference program FLAG (Fast Lagrangian Analysis of Continua), well suited for geomaterials, by assuming soil to be a Mohr-Coulomb material in the case of sands and modified Cam-clay material in the case of clays.
It is now well understood that the shearing resistance of a granular soil mass is derived from two factors frictional resistance and the dilatency of the soil. So the peak friction angle can be divided in to two components critical friction angle Фcv and dilation angle Ψ. Critical friction angle is the true friction angle as a result of frictional resistance at interparticle level when the soil is shearing at constant volume. If Фcv for a given soil remains constant, the value of Ψ has to increase with the increase in initial density of soil packing. The dilatency of a soil mass gradually decreases with continued shearing from its initial high value to zero after very large shear strains, when the soil finally reaches a constant, steady volume at critical states. Correspondingly the observed friction angle Ф reduces from its peak value to Фcv at a very large strain.
In earlier days, clays used to be characterized by the strength parameters c and Ф. often, under undrained conditions, Ф would be even considered zero. But in the recent developments, it is understood that all the strength of clays is frictional. There is nothing like cohesion. The part of shear strength, which appears to be independent of normal stress, is shown to be the effect of over-consolidation and the resulting dilation. Thus although Cam-clay model uses zero cohesion for all clays, it reflects this component of strength through over-consolidation and in a more realistic way. Hence, it is appropriate to consider the pre-consolidation pressure as parameter in the analysis. More specifically, the various aspects covered in this investigation are as follows.
Chapter 1 provides the general introduction. In chapter 2, the existing literature for the analysis of anchors for both experimental and analytical investigations on the pullout capacity of anchors in homogeneous and layered soils and the load deformation behavior of anchors under pullout are briefly reviewed.
Chapter 3 deals with the features and the implementation of the two-dimensional explicit finite difference program, Fast Lagrangian Analysis of Continua (FLAC) and the constitutive modeling of soils. It discusses the background and implementation of Strain softening / hardening model. This model is based on the Mohr- Coulomb model with non-associated shear and associated tension flow rules. In this model the cohesion, friction, dilation and tensile strength may harden or soften after the onset of the plastic yield. Further the critical state concepts and implementation of the modified Cam-clay model have been discussed. Cam-clay model originally developed for clays reflects the hydrostatic pressure or density dependent hardening material response.
Chapter 4 focuses on the analysis of load deformation behavior of large size anchors in granular soils. Two-dimensional explicit finite difference program (FLAC) is used for the simulations and the soil is modeled as a Mohr-Coulomb strain softening/hardening material In this chapter a series of simulations have been carried out on large size anchor plates, with parametric variation. By analyzing these results, a generalized load deformation relationship for different sizes of anchors and different types of soil have been proposed. The results are presented in the form of influence/design charts which can be used in hand calculations to obtain an estimate of anchor capacity and deformation for a wide range of soil types and size of anchors.
Chapter 5 deals with the analysis of the drained and undrained behavior of large size horizontal strip anchors in clays using modified Cam-clay model. Earlier investigators have studied the undrained behavior of anchor plates in clays, but no studies are reported in literature for the drained behavior of anchors in clays. Further it is not clear whether, drained or undrained condition will be critical for an anchor. In this chapter the drained and undrained behavior of large size anchor plates in both normally consolidated and over-consolidated states have been made. It has been found that the undrained pullout capacity of an anchor in a soil of normally consolidated state will always be more than the drained capacity. This is contrast to the usual understanding that undrained behavior is more critical than the drained behavior.
In Chapter 6 an attempt has been made to analyze the behavior of large size anchors in two layered sands and in conditions where backfill material has a higher or lower strength than the native soil, for different shape of excavations. Soil is assumed to be a Mohr-coulomb strain softening/hardening material.
In Chapter 7 the entire investigation covered in earlier chapters has been synthesized and some specific conclusions have been highlighted.
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Excitation et ionisation des atomes d'hydrogène et d'hélium par des impulsions laser femtosecondes : approche théorique par des états de "Coulomb-Volkov"Guichard, Roland 12 December 2007 (has links) (PDF)
Nous présentons une approche théorique fondée sur des états de « Coulomb-Volkov » bien adaptée à l'étude des processus multiphotoniques atomiques induits par un laser XUV femtoseconde intense. Elle prédit les spectres d'ionisation de l'hydrogène quand l'impulsion incidente reste en conditions de perturbation. Trois voies sont explorées dans ce manuscrit. L'extension à des champs intenses quand ħω > Ip : il est nécessaire de prendre en compte la population de l'état initial de l'hydrogène, en l'introduisant dans une amplitude Coulomb-Volkov standard, on décrit l'ionisation multiphotonique quasi-saturée. L'extension aux transitions multiphotoniques avec ħω < Ip : de nouveaux chemins quantiques sont ouverts par l'excitation des états liés de l'hydrogène. Une approche Coulomb-Volkov de l'excitation multiphotonique de ces états est développée. L'extension à l'hélium: l'étude de la double ionisation directe à deux photons permet d'exhiber l'influence des corrélations électroniques dans l'état initial et dans l'état final. De nombreuses informations, comme les distributions angulaires et énergétiques mais aussi les sections efficaces sont accessibles.
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Développement de techniques de fabrication collectives de dispositifs électroniques à nanostructure unique.Tallal, Jamal 19 October 2007 (has links) (PDF)
Le développement actuel de la micro/nanoélectronique est basé sur une constante réduction des dimensions caractéristiques des structures fabriquées. Ce constant changement d'échelle va être confronté à terme à de nombreux obstacles à la fois physiques (courant de fuite important, effet quantique perturbateur ...) et technologiques (limite de résolution des procédés de fabrication industriels). Pour paliers à ces différents freins, une alternative prometteuse est l'intégration collective d'objets nanométriques dans des architectures électroniques. Dans ce contexte, nous avons tout d'abord développé différents procédés de fabrication collective de structures d'adressage par une technologie alternative haute résolution : la nanoimpression. Ensuite, la manipulation de nano-objets colloïdaux par diélectrophorèse a été étudiée dans le but d'obtenir la localisation d'une unique particule entre deux électrodes métalliques. Les structures ainsi obtenues ont été caractérisées électriquement et ont permis l'observation de blocage et de paliers de Coulomb à basse température.
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Numerische Simulation des Transports in ungeordneten VielelektronensystemenEpperlein, Frank 09 August 1999 (has links) (PDF)
Inhalt dieser Arbeit ist die Untersuchung der Physik des ungeordneten wechselwirkenden Elektronenproblems auf der isolierenden Seite des Metall-Isolator-Uebergangs. Als Modellsystem dient dabei ein verallgemeinertes Coulomb-Glas-Modell mit Transfermatrixelementen zwischen verschiedenen Plaetzen, das Quanten-Coulomb-Glas. Ziel ist, herauszufinden, wie sich die Elektron-Elektron-Wechselwirkung auf die Lokalisierungs- und Transporteigenschaften des Modells auswirkt.
Im ersten Teil wird das Quanten-Coulomb-Glas in Hartree-Fock-Naeherung behandelt. Da diese Naeherung eine effektive Einteilchentheorie ist, koennen die Lokalisierungs- und Transporteigenschaften mit denselben Methoden wie beim Anderson-Modell der Lokalisierung untersucht werden. Es erweist sich, dasz die Wechselwirkung im Rahmen einer Einteilchen-Naeherung immer zu einer staerkeren Lokalisierung der Zustaende an der Fermienergie und damit zu einer Verschlechterung des Transports im Vergleich zum nichtwechselwirkenden System fuehrt. Dieses Ergebnis laeszt sich auch gut physikalisch verstehen.
Im zweiten Teil steht die Frage nach der Gueltigkeit der Hartree-Fock-Naeherung fuer das Quanten-Coulomb-Glas im Mittelpunkt. Dazu werden die Hartree-Fock-Resultate mit Ergebnissen aus der exakten Diagonalisierung sehr kleiner Gitter verglichen. Es werden Lokalisierungskriterien entwickelt, die einen direkten Vergleich mit den Einteilchenlokalisierungsmaszen gestatten. Zur Beurteilung der Transporteigenschaften dient der Gleichstromleitwert nach dem Kubo-Greenwood-Formalismus. Es zeigt sich, dasz die Hartree-Fock-Naeherung den Transport unterschaetzt und dasz die Wechselwirkung im Vergleich zum nichtwechselwirkenden System bei schwacher Unordnung eine Verringerung des Transports und bei groszer Unordnung eine Erhoehung des Transports bewirkt.
In dritten Teil werden Idee und Realisierung einer neuen Naeherung, der Hartree-Fock-basierten Diagonalisierung, diskutiert. Ueberlegungen und Untersuchungen zur Konvergenz von Grundzustandsenergie, Energie der angeregten Zustaende, Einteilchenzustandsdichte, Rueckkehrwahrscheinlichkeit und Leitwert werden vorgenommen. Ergebnisse fuer zweidimensionale Systeme mit 12, 16 und 25 Gitterplaetzen bei Halbfuellung werden vorgestellt. Auszerdem erfolgen Untersuchungen mit verschiedenen Wechselwirkungsstarken fuer ein-, zwei und dreidimensionale Systeme mit 25*1, 5*5 und 3*3*3 Gitterplaetzen. Die Resultate aus dem zweiten Teil bestaetigen sich: Fuer genuegend starke Unordnung induziert Wechselwirkung immer eine staerkere Delokalisierung, fuer genuegend kleine Unordnung immer eine staerkere Lokalisierung. / This work investigates the physics of the disordered interacting electron problem on the isolating side of the metal-insulator-transition. A generalized Coulomb-Glass with transfermatrixelements between next neighbours - the Quantum-Coulomb-Glass - serves as model system. The goal is to find out how electron-electron interaction influences the localization and transport properties of the model.
In the first part the Quantum-Coulomb-Glass is treated at Hartree-Fock level. Because this approximation is an effective one-particle theory localization and transport properties can be investigated with the same methods as in the Anderson-Model of localization. It ist found that interaction in the framework of an one-particle approximation always leads to an enhanced localization of the states near the Fermi-energy in comparison to the nonintercting system. This also can be well understood within different physically argumentations.
The second part centers around the question how valid Hartree-Fock approximation is. Thus Hartree-Fock results are compared with results for exact diagonalization of small lattices. Criteria of localization are developed which allow a direct comparison to measures of single-particle localization. The transport-properties are measured by the zero frequency Kubo-conductance. It shows that Hartree-Fock approximation underestimates the transport and that interaction leads to a decrease of transport in the region of small disorder and to an increase for strong disorder.
The third part discusses idea and realisation of a new approximation - the Hartree-Fock-based diagonalization. Aguments and investigations about convergence of ground-state-energy, excited-state-energy, single-particle density of states, return probability and conductance are shown. Results for systems in two dimensions with 12, 16 and 25 sites and half filling are presented. Additionally different interaction strenghts for one-, two- and three-dimensional systems with 25*1, 5*5 and 3*3*3 sites are investigated. The results from part two are hardened: Interaction always leads to enhanced delocalization if disorder is strong enough and always leads to enhanced localization if disorder is small enough.
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A dynamical systems theory analysis of Coulomb spacecraft formationsJones, Drew Ryan 10 October 2013 (has links)
Coulomb forces acting between close flying charged spacecraft provide near zero propellant relative motion control, albeit with added nonlinear coupling and limited controllability. This novel concept has numerous potential applications, but also many technical challenges.
In this dissertation, two- and three-craft Coulomb formations near GEO are investigated, using a rotating Hill frame dynamical model, that includes Debye shielding and differential gravity. Aspects of dynamical systems theory and optimization are applied, for insights regarding stability, and how inherent nonlinear complexities may be beneficially exploited to maintain and maneuver these electrostatic formations.
Periodic relative orbits of two spacecraft, enabled by open-loop charge functions, are derived for the first time. These represent a desired extension to more substantially studied, constant charge, static Coulomb formations. An integral of motion is derived for the Hill frame model, and then applied in eliminating otherwise plausible periodic solutions. Stability of orbit families are evaluated using Floquet theory, and asymptotic stability is shown unattainable analytically.
Weak stability boundary dynamics arise upon adding Coulomb forces to the relative motion problem, and therefore invariant manifolds are considered, in part, to more efficiently realize formation shape changes. A methodology to formulate and solve two-craft static Coulomb formation reconfigurations, as parameter optimization problems with minimum inertial thrust, is demonstrated. Manifolds are sought to achieve discontinuous transfers, which are then differentially corrected using charge variations and impulsive thrusting. Two nonlinear programming algorithms, gradient and stochastic, are employed as solvers and their performances are compared.
Necessary and sufficient existence criteria are derived for three-craft collinear Coulomb formations, and a stability analysis is performed for the resulting discrete equilibrium cases. Each specified configuration is enabled by non-unique charge values, and so a method to compute minimum power solutions is outlined. Certain equilibrium cases are proven maintainable using only charge control, and feedback stabilized simulations demonstrate this. Practical scenarios for extending the optimal reconfiguration method are also discussed.
Lastly, particular Hill frame model trajectories are integrated in an inertial frame with primary perturbations and interpolated Debye length variations. This validates qualitative stability properties, reveals particular periodic solutions to exhibit nonlinear boundedness, and illustrates higher-fidelity solution accuracies. / text
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Quantum Transport in InAs Nanowires with Etched Constrictions and Local Side-gatingMa, Yao 15 November 2013 (has links)
To study transport properties in single InAs nanowires (NW) with etched constrictions, a bunch of back-gated single InAs NW devices were made. The standard device contained a NW section with an etched constriction, placed between two pre-patterned side-gates. For comparison, devices either without etched constriction or without side-gates were also fabricated.
Transport measurement results of three devices were presented and discussed. The device without side-gates exhibited Coulomb blockade due to electron tunneling through double quantum dots (QDs). The device without the etched constriction displayed conductance quantization. The standard device showed both Coulomb blockade (due to electron tunneling through either multiple QDs or single QD) and Fabry-Perot conductance oscillation at different gate bias regime.
A 3-D electrostatic and 2-D eigenvalue coupled simulation was conducted to explain the observed conductance quantization. This model suggests that the nonuniform potential distribution in a thick NW dramatically modifies the confinement energies in the NW.
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Quantum Transport in InAs Nanowires with Etched Constrictions and Local Side-gatingMa, Yao 15 November 2013 (has links)
To study transport properties in single InAs nanowires (NW) with etched constrictions, a bunch of back-gated single InAs NW devices were made. The standard device contained a NW section with an etched constriction, placed between two pre-patterned side-gates. For comparison, devices either without etched constriction or without side-gates were also fabricated.
Transport measurement results of three devices were presented and discussed. The device without side-gates exhibited Coulomb blockade due to electron tunneling through double quantum dots (QDs). The device without the etched constriction displayed conductance quantization. The standard device showed both Coulomb blockade (due to electron tunneling through either multiple QDs or single QD) and Fabry-Perot conductance oscillation at different gate bias regime.
A 3-D electrostatic and 2-D eigenvalue coupled simulation was conducted to explain the observed conductance quantization. This model suggests that the nonuniform potential distribution in a thick NW dramatically modifies the confinement energies in the NW.
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Étude théorique du transport électronique dans les nanodispositifs à boîtes quantiques semiconductricesTalbo, Vincent 17 December 2012 (has links) (PDF)
La miniaturisation des composants, qui s'est engagée depuis l'avènement de l'électronique il y a plus de 50 ans, atteint aujourd'hui la dimension nanométrique, ouvrant la porte aux phénomènes quantiques. Ultime étape de cette miniaturisation, la boîte quantique, dans laquelle les électrons sont confinés dans les trois directions de l'espace, présente des propriétés remarquables, telles que l'augmentation du gap entre la bande de conduction et la bande de valence, ou la discrétisation des niveaux d'énergies. Autre conséquence du confinement, la forte interaction électron-électron régnant au sein de la boîte conduit à une énergie de charge importante, susceptible de bloquer l'entrée d'un électron dans la boîte sans apport d'énergie extérieur. Ce phénomène de blocage des charges est appelé blocage de Coulomb. Le transistor à un électron (SET), dispositif élémentaire tirant profit de ce phénomène, est pressenti pour quelques applications, comme la réalisation de fonctions logiques ou la détection de charge. Parmi les domaines concernés, la thermoélectricité, c'est-à-dire la possibilité de créer du courant électrique à partir d'une différence de température, s'intéresse de près aux dispositifs à un électron en raison de leurs niveaux d'énergie discrets qui conduisent à une très faible conductivité thermique. Ce travail présente le simulateur SENS (Single-Electron Nanodevice Simulation) développé dans l'équipe, et dont j'ai réalisé la partie destinée à la simulation du SET. Il s'appuie sur la résolution des équations couplées de Poisson et Schrödinger, nécessaire à la détermination des fonctions d'onde dans la boîte de silicium, elles-mêmes dépendantes des tensions appliquées aux électrodes. Les fréquences de transition tunnel sont ensuite calculées par la règle d'or de Fermi. L'étude approfondie du courant dans les SET permet d'extraire des diagrammes de stabilité en diamant, et démontre l'importance de paramètres tels que la taille de l'îlot, la dimension des barrières tunnel, la température et le nombre d'électrons occupant la boîte. L'étude du courant électronique et du courant de chaleur en présence d'une différence de température aux électrodes du SET est également faite pour juger de la pertinence de l'utilisation d'un SET en tant que générateur thermoélectrique, mais aussi comme étalon pour déterminer le coefficient Seebeck. Enfin, une étude du bruit de grenaille dans la double-jonction tunnel (SET sans la grille) est faite, démontrant le fort lien entre taux de transfert tunnel et bruit. En particulier, selon l'évolution des taux des transferts tunnel d'entrée et de sortie de l'îlot, pour un nombre d'électrons supérieur 2, il est possible d'observer une augmentation importante du bruit, qui devient alors super-Poissonien. L'étude de l'influence des paramètres géométriques démontre que le bruit de grenaille dépend essentiellement de la différence des épaisseurs de barrière tunnel.
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