The emerging paradigms of shockwave research have opened up new horizons for interdisciplinary applications. This has inevitably driven research towards studying the propagation of shockwaves in miniature shock tubes (tube diameters typically in the range of 1−10 ). Studies have revealed that while operating at this diameter range and low initial pressures (typically 1 < 100 ) leading to low values of characteristic Reynolds numbers (typically ′ < 23,000 −1), results in the boundary layer playing a major role in shockwave attenuation. But there are very few studies addressing shockwave attenuation when shock tubes are operated at higher Reynolds number. Pressure measurements and visualization studies in shock tubes of these length scales are also seldom attempted due to practical difficulties. Given that premise, in the present work the shockwave attenuation due to wall effects and non-ideal diaphragm rupture in shock tubes of hydraulic diameters 2 , 6 and 10 has been investigated at ambient initial driven section conditions ( 1 = 300 and 1 = 1 resulting in Reynolds number in the range 70,212 −1 – 888,627 −1). In this study pressure measurements and high-speed visualization have been carried out to find the effect of the pressure ratio, temperature ratio and molecular weights of driver gas on the shock attenuation processes. In order to study the effects of the driver/driven gas temperature ratios on the shock attenuation process, a new in-situ oxyhydrogen (hydrogen and oxygen gases in the ratio 2:1) generator has been developed. Using this innovative device, the miniature shock tubes are also run in the detonation mode (forward facing detonation wave). The results obtained using helium and nitrogen driver gases for these shock tubes reveal that as the hydraulic diameter of the shock tube is reduced, a larger diaphragm pressure ratio is required to obtain a particular strength of shockwave. The attenuation in the shockwave is found to be a function of the driver gas properties namely specific heat ratio ( 4), molecular weight ( 4), temperature ( 4) as well as the diaphragm opening time of the shock tube in addition to the parameters , 21, / , and 1 as already suggested in previous reports. The visualization studies reveal that the effect of diaphragm opening time leading to longer shock formation distances appears to influence the shockwave attenuation process at these shock tube diameters. Further, it is also found that the strength of the shockwave reduces when the ratio 4/ 1 is higher. It is also seen that the length of the driven sections must be less than twice the length of the driver sections to reduce attenuation. Based on the understanding of the nature of supersonic flow in a miniature shock tubes, a novel shock/blast wave device has been developed for certain innovative biotechnology applications such as needleless vaccine delivery and cell transformations. The new device has an internal diameter of 6 and by varying the length of the driver/driven sections either shock or blast waves of requisite strength and impulse can be generated at the open end of the tube. In the shock tube mode of operation, shockwaves with steady time duration of up to 30 have been generated. In the blast tube mode of operation, where the entire tube is filled with oxyhydrogen mixture, shockwaves with peak pressures of up to 550 have been obtained with good repeatability. An attempt to power this device using solar energy has also given successful results. Visualization of the open end of the detonation driven shock tube reveals features typical of flow from the open end of shock tubes and has helped in quantifying the density field. The subsequent instants of the flow resemble a precursor flow in gun muzzle blast and flash. Typical energy levels of the shock/blast waves coming out this device is found to be about 34 for an oxyhydrogen fill pressure of 5.1 in the shock tube operation mode. Transformation of E.coli, Salmonella Typhimurium and Pseudomonas aeruginosa bacterial strains using the device by introducing plasmid DNA through their cell walls has been successfully carried out. There is more than twofold increase in the transformation efficiency using the device as compared to conventional methods. Using the same device, needleless vaccine delivery in mice using Salmonella has also been demonstrated successfully. Overall, in the present thesis, a novel method for generating shockwaves in a repeatable and controllable manner in miniature scales for interdisciplinary applications has been proposed. Also, it is the first time that experiments with the different diameter miniature shock tubes have been carried out to demonstrate the attenuation of shockwaves as the hydraulic diameter of the shock tube decreases. Future research endeavors will focus on quantitative measurement of the particle velocity behind the shock waves, and also on the nature of the boundary layers to further resolve the complex flow physics associated with supersonic flows in these miniature shock tubes.

Dans la conception des turbomachines modernes, la prédiction des phénomènes aéroélastiques est devenue un point clé. La tendance à réduire la masse et à augmenter la charge des composants aérodynamiques accroit le risque de rupture. Dans un tel contexte, la compréhension et la bonne prédiction des diverses instabilités constituent un enjeu industriel et scientifique majeur. Le présent travail de recherche a pour objectif d’améliorer la prédiction des phénomènes instationnaires intervenant dans les problèmes d’aéroélasticité en turbomachines. Cette thèse est plus particulièrement axée sur la simulation de l’interaction onde de choc/couche limite. Le support d’étude est une tuyère transsonique présentant un écoulement avec des zones décollées. L’oscillation forcée de l’onde de choc est simulée grâce à une méthode de petites perturbations instationnaires couplée avec une hypothèse de turbulence variable. Cette approche est validée par comparaison avec des mesures. Elle permet une prédiction tout à fait satisfaisante du premier harmonique de pression sur la paroi de la tuyère. Ce travail a montré la nécessité de linéariser le modèle de turbulence. Le besoin de dériver le modèle de turbulence nous a amené à investiguer la modélisation faite pour prédire l’interaction onde de choc/couche limite. Un modèle de turbulence à deux équations complété par une équation de « retard » est implémenté afin de capter un déséquilibre de la turbulence. Les résultats obtenus en tuyère sont cohérents avec la théorie mais une surproduction d’énergie turbulente en présence de bord d’attaque rend le modèle inefficace pour des configurations de turbomachines. Au final, l’introduction d’un limiteur de viscosité turbulente dans un modèle de turbulence à deux équations s’avère donner de bons résultats. La méthode de dérivation du modèle est alors présentée sur le modèle de Wilcox proposé en 2008. Enfin, la technique de linéarisation est étendue à la problématique aéroélastique. Une approche de couplage fluide-structure faible est adoptée. L’oscillation structurelle des aubages suivant les modes propres est considérée mais en laissant la fréquence évoluer au cours du couplage. La nouvelle méthode utilisée s’appuie sur la construction d’un méta-modèle du comportement dynamique du fluide afin de résoudre directement le système fluide-structure couplé. Cette technique est validée sur une configuration de grille annulaire de turbine en haut subsonique et présente l’avantage d’un temps de calcul réduit. / In modern turbomachinery design, predicting aerolastic phenomena has become a key point. The development of highly loaded components, while reducing their weight, increases the risk of failure. In this context, good understanding and prediction of various instabilities are a major industrial and scientific challenge. This research work aims to improve the prediction of unsteady phenomena involved in turbomachinery aeroelasticity. This study focuses especially on the simulation of shock wave/boundary layer interaction. To begin with, a transonic nozzle separated flow is investigated. Forced oscillation of the shock wave system is simulated through a small unsteady perturbation method combined with the assumption of variable turbulence. This approach is validated against exprimental measurements. The first harmonic of pressure on the wall of the nozzle is predicted quite satisfactorily. The need to linearize the turbulence model was shown of high importance. Deriving the turbulence model, leads us to investigate the turbulence modeling performed to predict the shockwave/boundary layer interaction. A two equations turbulence model supplemented by a "time-lagged" equation is implemented to capture non-equilibrium effects of turbulence. All achieved results for a nozzle are consistent with theory, but overproduction of turbulent kinetic energy at leading edge makes the model useless for turbomachinery configurations. However, the introduction of an eddy viscosity stress limiter inside a two-equation turbulence model proves to give good results. The derivation method is thus presented on such a model, precisely on Wilcox model proposed in 2008. Finally, the linearization technique is extended to aeroelastic problems. A loose fluid-structure coupling strategy is adopted. The structural oscillation of the blades is considered for eigen-modes but frequency is free to change during coupling resolution. The new approach is based on the building of a meta-model to describe the fluid dynamic behavior in order to solve directly the coupled fluid-structure system. This technique is validated on a standard high subsonic turbine configuration and takes advantage of a reduced computation time.

Variable Speed Limit (VSL) strategies identify and disseminate dynamic speed limits that are determined to be appropriate based on prevailing traffic conditions, road surface conditions, and weather conditions. This dissertation develops and evaluates a shockwave-based VSL system that uses a heuristic switching logic-based controller with specified thresholds of prevailing traffic flow conditions. The system aims to improve operations and mobility at critical bottlenecks. Before traffic breakdown occurrence, the proposed VSL’s goal is to prevent or postpone breakdown by decreasing the inflow and achieving uniform distribution in speed and flow. After breakdown occurrence, the VSL system aims to dampen traffic congestion by reducing the inflow traffic to the congested area and increasing the bottleneck capacity by deactivating the VSL at the head of the congested area. The shockwave-based VSL system pushes the VSL location upstream as the congested area propagates upstream. In addition to testing the system using infrastructure detector-based data, this dissertation investigates the use of Connected Vehicle trajectory data as input to the shockwave-based VSL system performance. Since the field Connected Vehicle data are not available, as part of this research, Vehicle-to-Infrastructure communication is modeled in the microscopic simulation to obtain individual vehicle trajectories. In this system, wavelet transform is used to analyze aggregated individual vehicles’ speed data to determine the locations of congestion. The currently recommended calibration procedures of simulation models are generally based on the capacity, volume and system-performance values and do not specifically examine traffic breakdown characteristics. However, since the proposed VSL strategies are countermeasures to the impacts of breakdown conditions, considering breakdown characteristics in the calibration procedure is important to have a reliable assessment. Several enhancements were proposed in this study to account for the breakdown characteristics at bottleneck locations in the calibration process. In this dissertation, performance of shockwave-based VSL is compared to VSL systems with different fixed VSL message sign locations utilizing the calibrated microscopic model. The results show that shockwave-based VSL outperforms fixed-location VSL systems, and it can considerably decrease the maximum back of queue and duration of breakdown while increasing the average speed during breakdown.

Der Begriff der Virtualität von Bankdienstleistungen wird unterschiedlich interpretiert. Während eine Vielzahl der Veröffentlichungen in den Kontext von Virtuellen Unternehmen und Intermediären einzuordnen ist, kann konstatiert werden, dass die Virtualisierung des Bankgeschäfts im Rahmen dreidimensionaler Technologien weniger Beachtung findet. Die vorliegenden Studie soll einen Beitrag dazu leisten, diese Erkenntnislücke zu schließen, indem die Eignung aktueller Technologien zur Realisierung einer virtuellen Bankfiliale im Sinn der virtuellen Realität untersucht wird. Ziel der Studie ist die Implementierung einer dreidimensionalen Bankfiliale mit verschiedenen Internet-basierten Technologien. Mit den Technologien Adobe Atmosphere, Shockwave 3D, VRML und Java 3D wurden Prototypimplementierungen durchgeführt, um deren Eignung für das Bankgeschäft anhand unterschiedlicher Kriterien zu bewerten.

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Les moteurs thermoacoustiques sont des machines thermodynamiques cycliques, qui font usage d’un gradient de température dans un matériau poreux pour générer du travail acoustique. Les modèles historiques décrivant ces moteurssont basés sur la théorie linéaire de la thermoacoustique, qui faillit à qualifier leurs conditions de fonctionnement etde saturation car différents effets non linéaires dissipent une partie non négligeable de l’énergie acoustique produiteet perturbent la distribution de température dans le noyau et l’éloignent de la distribution pour laquelle le moteur aété optimisé.Les travaux présentent les résultats expérimentaux issus d’une approche globale pour limiter l’impact de ces effetsnon linéaires, en ajustant le champ acoustique par un rétro-contrôle acoustique dans le moteur afin d’exploiter au mieux la distribution de température présente dans la machine.Un modèle simplifié est établi afin de comprendre les phénomènes en jeu dans les comportements dynamiques complexes observés expérimentalement, tels que l’augmentation de l’efficacité de conversion thermoacoustique coupléeà une baisse de la différence de température dans le régénérateur, l’extinction de l’auto-oscillation, ou un comportementhystérétique des seuils d’instabilité. Ce modèle est basé sur une approche à constante localisée et une description discrète des transferts thermiques pour réduire l’ordre de complexité du problème.Une étude complémentaire est présentée sur la propagation non linéaire dans les moteurs thermoacoustiques, pouvantamener à la formation d’ondes de choc. Des outils de description de cette propagation sont adaptés au cas desauto-oscillations thermoacoustiques afin de mettre en évidence les paramètres déterminant dans l’amplification duphénomène de cascade harmonique dans des configurations académiques de moteurs thermoacoustiques. / Thermoacoustic engines are heat engines in which a fluid in a porous media submitted to temperature gradient undergoesa thermodynamic cycle performing acoustic work. The design and optimization of such engine usually makes use of the linear theory of thermoacoustics. Though it is sufficient to describe the onset conditions of the instability, this theory fails to predict accurately the operating conditions of engines. Indeed, nonlinear effects develop due to high acoustic levels, which tend to perturb the temperature distribution in the thermoacoustic core and take it away from the ideal distribution for which the engine as been optimized.The work presented in this manuscript is devoted to a technique of control of the acoustic field distribution in the engine, in order to optimize the thermoacoustic interaction though nonlinear effects distort the temperature distribution. An auxiliary acoustic source added to the engine, powered by a feedback loop allows to control the efficiency of thermoacoustic conversion. Experimental results are presented, showing complex behavior such as oscillation death or hysteretic behavior of thresholds.A low order model of the engine under the influence of the feedback loop is presented, giving an insight of the physical phenomena at stake in this control. It is based on a lumped element electro-acoustic analogy, coupled with a discretization of the heat transfer description.A complementary study of the nonlinear propagation is presented for simple configurations of thermoacoustic prime movers. The condition leading to shock-wave formation are sought thanks to a numerical model, adapted to selfsustainedoscillations from a previous model of weakly nonlinear guided propagation.

Dans ce document, nous présentons nos travaux sur les décharges dans l'heptane. L'une des conditions retenue pour ces études est le choix d'un gap micrométrique. Nous avons travaillé avec des gaps compris entre 10 et 150 µm qui correspondent à des tensions de claquage comprises entre 1 et 15 kV. Du claquage jusqu'à 1 µs, la décharge a été caractérisée par ombroscopie et par spectroscopie d'émission optique (SEO). L'ombroscopie a montré que la vitesse de propagation de l'onde de choc et de la bulle est de l'ordre de 1200 m s-1 et 100 m s-1, respectivement. Au-delà de 1 µs, la dynamique de la bulle a été étudiée. Une nouvelle méthode est proposée pour estimer la pression à l'initiation de la décharge. La technique est basée sur la réponse d'une "bulle test" qui se trouve dans le champ acoustique d'une nouvelle décharge dont on veut connaître la pression. Elle est aux environs 80 bar. La SEO a montré une dominance des rayonnements continus pendant les premières 200 ns qui ont été attribués à la recombinaison électron-ion. Au-delà de 200 ns, les rayonnements continus s'effondrent et les raies d'émission deviennent dominantes. L'étude de l'élargissement de la raie H[alpha] de l'hydrogène a montré que la densité électronique peut atteindre 1019 cm-3. En ce qui concerne l'interaction plasma-surface, nous avons pu démontrer que l'impact créé est gouverné par la quantité de charges déposée. Sa morphologie est une résultante d'un équilibre entre la force due à la pression et la force de Marangoni. Nous avons étudié dans une dernière partie la synthèse des nanoparticules de platine (diamètre 5 nm) insérées dans une matrice de carbone hydrogéné présentant un ordre à courte distance / In this document, we report our work on discharges in heptane. One of the specific conditions selected is the choice of a micrometric gap distance. Typically, gaps were between 10 and 150 µm, corresponding to breakdown voltages between 1 and 15 kV. From breakdown up to 1 µs, the plasma discharge was characterized by shadowgraphy and optical emission spectroscopy (OES). Shadowgraphy results showed that the velocities of shock wave and bubble interface are about 1200 m s-1 and 100 m s-1, respectively. Beyond 1 µs, experimental and theoretical studies of the oscillatory dynamics of the bubble are made. Then, we proposed a new method to estimate the pressure at discharge breakdown. The technique is based on the response of a 'test bubble' present in the acoustic field of a new discharge whose pressure is to be known. It is estimated to be about 80 bar. OES, between 300 and 800 nm, showed a dominance of continuous radiations during the first 200 ns which were attributed to electron-ion recombination processes. Beyond 200 nm, continuous radiations collapse and then, the emission lines dominate the spectrum. The study of the H? line broadening showed that the electron density can reach 1019 cm-3. Regarding the interaction of the discharge with the electrode surfaces, we demonstrated that the diameter of the impact is governed by the quantity of charges deposited by the discharge. However, the impact morphology is determined by a balance between the force exerted by the plasma pressure and the Marangoni's force. Finally, we studied the possibility to synthesize platinum nanoparticles (5 nm in diameter) embedded in a matrix of hydrogenated carbon exhibiting a short range order

Cette thèse est dédiée à l'étude des fluctuations non-linéaires dans les condensats de Bose-Einstein à deux composantes. On présente dans le premier chapitre la dynamique de champ moyen des condensats à deux composantes et les différents phénomènes typiques associés au degré de liberté spinoriel. Dans ce même chapitre, on montre que la dynamique des excitations se sépare en deux modes distincts : un mode dit de densité correspondant au mouvement global des atomes à l'intérieur du condensat et un mode dit de polarisation correspondant à la dynamique relative entre les deux espèces constituant le condensat. Ce calcul est généralisé dans le deuxième chapitre où l'on montre que le mode de polarisation persiste en présence d'un couplage cohérent entre les deux composantes. En particulier on analyse la stabilité modulationnelle du mode en déterminant, à l'aide d'une analyse multi-échelle, la dynamique des excitations non-linéaires. On montre alors que les excitations de polarisation, au contraire des excitations de densité, souffrent d'une instabilité de Benjamin-Feir. Cette instabilité est stabilisée aux grandes impulsions par une résonance onde longue - onde courte. Enfin dans le dernier chapitre, on dérive de façon non-perturbative la dynamique de polarisation proche de la limite de Manakov, dynamique quise révèle être régie par une équation de Landau-Lifshitz sans dissipation. Les équations de Landau-Lifshitz appartiennent à une hiérarchie d'équations intégrables (hiérarchie Ablowitz-Kaup-Newell-Segur) et on étudie les solutions à une phase à l'aide de la méthode d'intégration finite-gap ; on détermine notamment à l'aide de cette méthode un nouveau type de soliton pour les condensats à deux composantes. Finalement, profitant de l'intégrabilité du système, on résout le problème de Riemann à l'aide de la théorie de modulation de Whitham et on montre que les condensats à deux composantes peuvent propager des ondes de raréfaction ainsi que des ondes de choc dispersives ; on décrit notamment la modulation de ces ondes de choc par la propagation d'ondes simples et d'ondes de contact d'invariants de Riemann. / This thesis is devoted to the study of nonlinear fluctuations in two-component Bose-Einstein condensates. In the first chapter we derive the mean field dynamics of two-component condensates and we present the distinctive phenomena associated to the spinorial degree of freedom. In the same chapter, we show that the dynamics of the excitations is divided in two distinct modes: a so-called density mode which corresponds to the global motion of the atoms, and a so-called polarization mode which corresponds to the relative motion between the two species composing the condensate. The computation is generalized in the second chapter in which we demonstrate that the polarization mode remains in presence of a coherent coupling between the two components. In particular we study the modulational stability of the mode and we determine through a multi-scaling analysis the dynamics of non-linear excitations. We show that the excitations of polarization undergo a Benjamin-Feir instability contrary to the density excitations. This instability is then stabilized in the short wavelength regime by a long wave - short wave resonance. Finally in the last chapter, we derive in a non-perturbative way the polarisation dynamics close the Manakov limit.In this limit, the dynamics proves to be governed by a Landau-Lifshitz equation without dissipation. Landau-Lifshitz equations belong to a hierarchy of integrable equations (Ablowitz-Kaup-Newell-Segur hierarchy) and we derive the single-phase solutions thanks to the finite-gap method; in particular we identify a new type of soliton for the two-component Bose-Einstein condensates. Finally, taking advantage of the integrability of the system, we solve the Riemann problem thanks to the Whitham modulation theory and we show that the two-component condensates can propagate rarefaction waves as well as dispersive shockwaves; we describe the modulation of the shockwaves by the propagation of simple waves and contact waves of Riemann invariants.