Structural characterization of laser-treated Cr3C2-NiCr coatings

The interconnected porosity of the Cr3C2-NiCr coatings obtained by high-velocity oxy fuel spraying is detrimental in corrosion and wear resistance applications. Laser treatments allow sealing of their surfaces through melting and resolidification of a thin superficial layer. A Nd:YAG laser beam was used to irradiate Cr3C2-NiCr coatings either in the continuous wave mode or at different repetition rates in the pulsed one. Results indicated that high peak and low mean laser irradiances are not good, since samples presented deep grooves and an extensive crack network. At low peak and higher mean laser irradiances the surface was molten, and only a few shallow cracks were observed. The interconnected porosity was completely eliminated in a layer up to 80 m thick, formed by large Cr7C3 grains imbedded in a NiCr matrix.

Hydroxyapatite coatings grown by pulsed laser deposition with a beam of 355 nm wavelength

Calcium phosphate coatings, obtained at different deposition rates by pulsed laser deposition with a Nd:YAG laser beam of 355-nm wavelength, were studied. The deposition rate was changed from 0.043 to 1.16 /shot by modification of only the ablated area, maintaining the local fluence constant to perform the ablation process in similar local conditions. Characterization of the coatings was performed by scanning electron microscopy, x-ray diffractometry, and infrared, micro-Raman, and x-ray photoelectron spectroscopy. The coatings showed a compact surface morphology formed by glassy gains with some droplets on them. Only hydroxyapatite (HA) and alpha-tricalcium phosphate (alpha-TCP) peaks were found in the x-ray diffractograms. The relative content of alpha TCP diminished with decreasing deposition rates, and only HA peaks were found for the lowest rate. The origin of alpha TCP is discussed.

Structural characterization of laser-treated Cr3C2-NiCr coatings

The interconnected porosity of the Cr3C2-NiCr coatings obtained by high-velocity oxy fuel spraying is detrimental in corrosion and wear resistance applications. Laser treatments allow sealing of their surfaces through melting and resolidification of a thin superficial layer. A Nd:YAG laser beam was used to irradiate Cr3C2-NiCr coatings either in the continuous wave mode or at different repetition rates in the pulsed one. Results indicated that high peak and low mean laser irradiances are not good, since samples presented deep grooves and an extensive crack network. At low peak and higher mean laser irradiances the surface was molten, and only a few shallow cracks were observed. The interconnected porosity was completely eliminated in a layer up to 80 m thick, formed by large Cr7C3 grains imbedded in a NiCr matrix.

Roughness and light scattering of ion-beam-sputtered fluoride coatings for 193 nm

Scattering characteristics of multilayer fluoride coatings for 193 nm deposited by ion beam sputtering and the related interfacial roughnesses are investigated. Quarter- and half-wave stacks of MgF2 and LaF3 with increasing thickness are deposited onto CaF2 and fused silica and are systematically characterized. Roughness measurements carried out by atomic force microscopy reveal the evolution of the power spectral densities of the interfaces with coating thickness. Backward-scattering measurements are presented, and the results are compared with theoretical predictions that use different models for the statistical correlation of interfacial roughnesses.

Procedure to characterize microroughness of optical thin films: application to ion-beam-sputtered vacuum-ultraviolet coatings

A method for characterizing the microroughness of samples in optical coating technology is developed. Measurements over different spatial-frequency ranges are composed into a single power spectral density (PSD) covering a large bandwidth. This is followed by the extraction of characteristic parameters through fitting of the PSD to a suitable combination of theoretical models. The method allows us to combine microroughness measurements performed with different techniques, and the fitting procedure can be adapted to any behavior of a combined PSD. The method has been applied to a set of ion-beam-sputtered fluoride vacuum-UV coatings with increasing number of alternative low- and high-index layers. Conclusions about roughness development and microstructural growth are drawn.

Ultraviolet optical and microstructural properties of MgF2 and LaF3 coatings deposited by ion-beam sputtering and boat and electron-beam evaporation

Single layers of MgF2 and LaF3 were deposited upon superpolished fused-silica and CaF2 substrates by ion-beam sputtering (IBS) as well as by boat and electron beam (e-beam) evaporation and were characterized by a variety of complementary analytical techniques. Besides undergoing photometric and ellipsometric inspection, the samples were investigated at 193 and 633 nm by an optical scatter measurement facility. The structural properties were assessed with atomic-force microscopy, x-ray diffraction, TEM techniques that involved conventional thinning methods for the layers. For measurement of mechanical stress in the coatings, special silicon substrates were coated and analyzed. The dispersion behavior of both deposition materials, which was determined on the basis of various independent photometric measurements and data reduction techniques, is in good agreement with that published in the literature and with the bulk properties of the materials. The refractive indices of the MgF2 coatings ranged from 1.415 to 1.440 for the wavelength of the ArF excimer laser (193 nm) and from 1.435 to 1.465 for the wavelength of the F2 excimer laser (157 nm). For single layers of LaF3 the refractive indices extended from 1.67 to 1.70 at 193 nm to ~1.80 at 157 nm. The IBS process achieves the best homogeneity and the lowest surface roughness values (close to 1 nmrms) of the processes compared in the joint experiment. In contrast to MgF2 boat and e-beam evaporated coatings, which exhibit tensile mechanical stress ranging from 300 to 400 MPa, IBS coatings exhibit high compressive stress of as much as 910 MPa. A similar tendency was found for coating stress in LaF3 single layers. Experimental results are discussed with respect to the microstructural and compositional properties as well as to the surface topography of the coatings.

Multiscale descriptions of density-driven flow instabilities in porous media

Les instabilités engendrées par des gradients de densité interviennent dans une variété d'écoulements. Un exemple est celui de la séquestration géologique du dioxyde de carbone en milieux poreux. Ce gaz est injecté à haute pression dans des aquifères salines et profondes. La différence de densité entre la saumure saturée en CO2 dissous et la saumure environnante induit des courants favorables qui le transportent vers les couches géologiques profondes. Les gradients de densité peuvent aussi être la cause du transport indésirable de matières toxiques, ce qui peut éventuellement conduire à la pollution des sols et des eaux. La gamme d'échelles intervenant dans ce type de phénomènes est très large. Elle s'étend de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères à laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Une reproduction fiable de la physique par la simulation numérique demeure donc un défi en raison du caractère multi-échelles aussi bien au niveau spatial et temporel de ces phénomènes. Il requiert donc le développement d'algorithmes performants et l'utilisation d'outils de calculs modernes. En conjugaison avec les méthodes de résolution itératives, les méthodes multi-échelles permettent de résoudre les grands systèmes d'équations algébriques de manière efficace. Ces méthodes ont été introduites comme méthodes d'upscaling et de downscaling pour la simulation d'écoulements en milieux poreux afin de traiter de fortes hétérogénéités du champ de perméabilité. Le principe repose sur l'utilisation parallèle de deux maillages, le premier est choisi en fonction de la résolution du champ de perméabilité (grille fine), alors que le second (grille grossière) est utilisé pour approximer le problème fin à moindre coût. La qualité de la solution multi-échelles peut être améliorée de manière itérative pour empêcher des erreurs trop importantes si le champ de perméabilité est complexe. Les méthodes adaptatives qui restreignent les procédures de mise à jour aux régions à forts gradients permettent de limiter les coûts de calculs additionnels. Dans le cas d'instabilités induites par des gradients de densité, l'échelle des phénomènes varie au cours du temps. En conséquence, des méthodes multi-échelles adaptatives sont requises pour tenir compte de cette dynamique. L'objectif de cette thèse est de développer des algorithmes multi-échelles adaptatifs et efficaces pour la simulation des instabilités induites par des gradients de densité. Pour cela, nous nous basons sur la méthode des volumes finis multi-échelles (MsFV) qui offre l'avantage de résoudre les phénomènes de transport tout en conservant la masse de manière exacte. Dans la première partie, nous pouvons démontrer que les approximations de la méthode MsFV engendrent des phénomènes de digitation non-physiques dont la suppression requiert des opérations de correction itératives. Les coûts de calculs additionnels de ces opérations peuvent toutefois être compensés par des méthodes adaptatives. Nous proposons aussi l'utilisation de la méthode MsFV comme méthode de downscaling: la grille grossière étant utilisée dans les zones où l'écoulement est relativement homogène alors que la grille plus fine est utilisée pour résoudre les forts gradients. Dans la seconde partie, la méthode multi-échelle est étendue à un nombre arbitraire de niveaux. Nous prouvons que la méthode généralisée est performante pour la résolution de grands systèmes d'équations algébriques. Dans la dernière partie, nous focalisons notre étude sur les échelles qui déterminent l'évolution des instabilités engendrées par des gradients de densité. L'identification de la structure locale ainsi que globale de l'écoulement permet de procéder à un upscaling des instabilités à temps long alors que les structures à petite échelle sont conservées lors du déclenchement de l'instabilité. Les résultats présentés dans ce travail permettent d'étendre les connaissances des méthodes MsFV et offrent des formulations multi-échelles efficaces pour la simulation des instabilités engendrées par des gradients de densité. - Density-driven instabilities in porous media are of interest for a wide range of applications, for instance, for geological sequestration of CO2, during which CO2 is injected at high pressure into deep saline aquifers. Due to the density difference between the C02-saturated brine and the surrounding brine, a downward migration of CO2 into deeper regions, where the risk of leakage is reduced, takes place. Similarly, undesired spontaneous mobilization of potentially hazardous substances that might endanger groundwater quality can be triggered by density differences. Over the last years, these effects have been investigated with the help of numerical groundwater models. Major challenges in simulating density-driven instabilities arise from the different scales of interest involved, i.e., the scale at which instabilities are triggered and the aquifer scale over which long-term processes take place. An accurate numerical reproduction is possible, only if the finest scale is captured. For large aquifers, this leads to problems with a large number of unknowns. Advanced numerical methods are required to efficiently solve these problems with today's available computational resources. Beside efficient iterative solvers, multiscale methods are available to solve large numerical systems. Originally, multiscale methods have been developed as upscaling-downscaling techniques to resolve strong permeability contrasts. In this case, two static grids are used: one is chosen with respect to the resolution of the permeability field (fine grid); the other (coarse grid) is used to approximate the fine-scale problem at low computational costs. The quality of the multiscale solution can be iteratively improved to avoid large errors in case of complex permeability structures. Adaptive formulations, which restrict the iterative update to domains with large gradients, enable limiting the additional computational costs of the iterations. In case of density-driven instabilities, additional spatial scales appear which change with time. Flexible adaptive methods are required to account for these emerging dynamic scales. The objective of this work is to develop an adaptive multiscale formulation for the efficient and accurate simulation of density-driven instabilities. We consider the Multiscale Finite-Volume (MsFV) method, which is well suited for simulations including the solution of transport problems as it guarantees a conservative velocity field. In the first part of this thesis, we investigate the applicability of the standard MsFV method to density- driven flow problems. We demonstrate that approximations in MsFV may trigger unphysical fingers and iterative corrections are necessary. Adaptive formulations (e.g., limiting a refined solution to domains with large concentration gradients where fingers form) can be used to balance the extra costs. We also propose to use the MsFV method as downscaling technique: the coarse discretization is used in areas without significant change in the flow field whereas the problem is refined in the zones of interest. This enables accounting for the dynamic change in scales of density-driven instabilities. In the second part of the thesis the MsFV algorithm, which originally employs one coarse level, is extended to an arbitrary number of coarse levels. We prove that this keeps the MsFV method efficient for problems with a large number of unknowns. In the last part of this thesis, we focus on the scales that control the evolution of density fingers. The identification of local and global flow patterns allows a coarse description at late times while conserving fine-scale details during onset stage. Results presented in this work advance the understanding of the Multiscale Finite-Volume method and offer efficient dynamic multiscale formulations to simulate density-driven instabilities. - Les nappes phréatiques caractérisées par des structures poreuses et des fractures très perméables représentent un intérêt particulier pour les hydrogéologues et ingénieurs environnementaux. Dans ces milieux, une large variété d'écoulements peut être observée. Les plus communs sont le transport de contaminants par les eaux souterraines, le transport réactif ou l'écoulement simultané de plusieurs phases non miscibles, comme le pétrole et l'eau. L'échelle qui caractérise ces écoulements est définie par l'interaction de l'hétérogénéité géologique et des processus physiques. Un fluide au repos dans l'espace interstitiel d'un milieu poreux peut être déstabilisé par des gradients de densité. Ils peuvent être induits par des changements locaux de température ou par dissolution d'un composé chimique. Les instabilités engendrées par des gradients de densité revêtent un intérêt particulier puisque qu'elles peuvent éventuellement compromettre la qualité des eaux. Un exemple frappant est la salinisation de l'eau douce dans les nappes phréatiques par pénétration d'eau salée plus dense dans les régions profondes. Dans le cas des écoulements gouvernés par les gradients de densité, les échelles caractéristiques de l'écoulement s'étendent de l'échelle poreuse où les phénomènes de croissance des instabilités s'opèrent, jusqu'à l'échelle des aquifères sur laquelle interviennent les phénomènes à temps long. Etant donné que les investigations in-situ sont pratiquement impossibles, les modèles numériques sont utilisés pour prédire et évaluer les risques liés aux instabilités engendrées par les gradients de densité. Une description correcte de ces phénomènes repose sur la description de toutes les échelles de l'écoulement dont la gamme peut s'étendre sur huit à dix ordres de grandeur dans le cas de grands aquifères. Il en résulte des problèmes numériques de grande taille qui sont très couteux à résoudre. Des schémas numériques sophistiqués sont donc nécessaires pour effectuer des simulations précises d'instabilités hydro-dynamiques à grande échelle. Dans ce travail, nous présentons différentes méthodes numériques qui permettent de simuler efficacement et avec précision les instabilités dues aux gradients de densité. Ces nouvelles méthodes sont basées sur les volumes finis multi-échelles. L'idée est de projeter le problème original à une échelle plus grande où il est moins coûteux à résoudre puis de relever la solution grossière vers l'échelle de départ. Cette technique est particulièrement adaptée pour résoudre des problèmes où une large gamme d'échelle intervient et évolue de manière spatio-temporelle. Ceci permet de réduire les coûts de calculs en limitant la description détaillée du problème aux régions qui contiennent un front de concentration mobile. Les aboutissements sont illustrés par la simulation de phénomènes tels que l'intrusion d'eau salée ou la séquestration de dioxyde de carbone.

Antibacterial burst-release from minimal Ag-containing plasma polymer coatings.

Biomaterials releasing silver (Ag) are of interest because of their ability to inhibit pathogenic bacteria including antibiotic-resistant strains. In order to investigate the potential of nanometre-thick Ag polymer (Ag/amino-hydrocarbon) nanocomposite plasma coatings, we studied a comprehensive range of factors such as the plasma deposition process and Ag cation release as well as the antibacterial and cytocompatible properties. The nanocomposite coatings released most bound Ag within the first day of immersion in water yielding an antibacterial burst. The release kinetics correlated with the inhibitory effects on the pathogens Pseudomonas aeruginosa or Staphylococcus aureus and on animal cells that were in contact with these coatings. We identified a unique range of Ag content that provided an effective antibacterial peak release, followed by cytocompatible conditions soon thereafter. The control of the in situ growth conditions for Ag nanoparticles in the polymer matrix offers the possibility to produce customized coatings that initially release sufficient quantities of Ag ions to produce a strong adjacent antibacterial effect, and at the same time exhibit a rapidly decaying Ag content to provide surface cytocompatibility within hours/days. This approach seems to be favourable with respect to implant surfaces and possible Ag-resistance/tolerance built-up.

A framework for hybrid simulations of two-phase flow in porous media

Rough a global coarse problem. Although these techniques are usually employed for problems in which the fine-scale processes are described by Darcy's law, they can also be applied to pore-scale simulations and used as a mathematical framework for hybrid methods that couples a Darcy and pore scales. In this work, we consider a pore-scale description of fine-scale processes. The Navier-Stokes equations are numerically solved in the pore geometry to compute the velocity field and obtain generalized permeabilities. In the case of two-phase flow, the dynamics of the phase interface is described by the volume of fluid method with the continuum surface force model. The MsFV method is employed to construct an algorithm that couples a Darcy macro-scale description with a pore-scale description at the fine scale. The hybrid simulations results presented are in good agreement with the fine-scale reference solutions. As the reconstruction of the fine-scale details can be done adaptively, the presented method offers a flexible framework for hybrid modeling.

Pore-scale modeling of two-phase flow instabilities in porous media

Les problèmes d'écoulements multiphasiques en média poreux sont d'un grand intérêt pour de nombreuses applications scientifiques et techniques ; comme la séquestration de C02, l'extraction de pétrole et la dépollution des aquifères. La complexité intrinsèque des systèmes multiphasiques et l'hétérogénéité des formations géologiques sur des échelles multiples représentent un challenge majeur pour comprendre et modéliser les déplacements immiscibles dans les milieux poreux. Les descriptions à l'échelle supérieure basées sur la généralisation de l'équation de Darcy sont largement utilisées, mais ces méthodes sont sujettes à limitations pour les écoulements présentant de l'hystérèse. Les avancées récentes en terme de performances computationnelles et le développement de méthodes précises pour caractériser l'espace interstitiel ainsi que la distribution des phases ont favorisé l'utilisation de modèles qui permettent une résolution fine à l'échelle du pore. Ces modèles offrent un aperçu des caractéristiques de l'écoulement qui ne peuvent pas être facilement observées en laboratoire et peuvent être utilisé pour expliquer la différence entre les processus physiques et les modèles à l'échelle macroscopique existants. L'objet premier de la thèse se porte sur la simulation numérique directe : les équations de Navier-Stokes sont résolues dans l'espace interstitiel et la méthode du volume de fluide (VOF) est employée pour suivre l'évolution de l'interface. Dans VOF, la distribution des phases est décrite par une fonction fluide pour l'ensemble du domaine et des conditions aux bords particulières permettent la prise en compte des propriétés de mouillage du milieu poreux. Dans la première partie de la thèse, nous simulons le drainage dans une cellule Hele-Shaw 2D avec des obstacles cylindriques. Nous montrons que l'approche proposée est applicable même pour des ratios de densité et de viscosité très importants et permet de modéliser la transition entre déplacement stable et digitation visqueuse. Nous intéressons ensuite à l'interprétation de la pression capillaire à l'échelle macroscopique. Nous montrons que les techniques basées sur la moyenne spatiale de la pression présentent plusieurs limitations et sont imprécises en présence d'effets visqueux et de piégeage. Au contraire, une définition basée sur l'énergie permet de séparer les contributions capillaires des effets visqueux. La seconde partie de la thèse est consacrée à l'investigation des effets d'inertie associés aux reconfigurations irréversibles du ménisque causé par l'interface des instabilités. Comme prototype pour ces phénomènes, nous étudions d'abord la dynamique d'un ménisque dans un pore angulaire. Nous montrons que, dans un réseau de pores cubiques, les sauts et reconfigurations sont si fréquents que les effets d'inertie mènent à différentes configurations des fluides. A cause de la non-linéarité du problème, la distribution des fluides influence le travail des forces de pression, qui, à son tour, provoque une chute de pression dans la loi de Darcy. Cela suggère que ces phénomènes devraient être pris en compte lorsque que l'on décrit l'écoulement multiphasique en média poreux à l'échelle macroscopique. La dernière partie de la thèse s'attache à démontrer la validité de notre approche par une comparaison avec des expériences en laboratoire : un drainage instable dans un milieu poreux quasi 2D (une cellule Hele-Shaw avec des obstacles cylindriques). Plusieurs simulations sont tournées sous différentes conditions aux bords et en utilisant différents modèles (modèle intégré 2D et modèle 3D) afin de comparer certaines quantités macroscopiques avec les observations au laboratoire correspondantes. Malgré le challenge de modéliser des déplacements instables, où, par définition, de petites perturbations peuvent grandir sans fin, notre approche numérique apporte de résultats satisfaisants pour tous les cas étudiés. - Problems involving multiphase flow in porous media are of great interest in many scientific and engineering applications including Carbon Capture and Storage, oil recovery and groundwater remediation. The intrinsic complexity of multiphase systems and the multi scale heterogeneity of geological formations represent the major challenges to understand and model immiscible displacement in porous media. Upscaled descriptions based on generalization of Darcy's law are widely used, but they are subject to several limitations for flow that exhibit hysteric and history- dependent behaviors. Recent advances in high performance computing and the development of accurate methods to characterize pore space and phase distribution have fostered the use of models that allow sub-pore resolution. These models provide an insight on flow characteristics that cannot be easily achieved by laboratory experiments and can be used to explain the gap between physical processes and existing macro-scale models. We focus on direct numerical simulations: we solve the Navier-Stokes equations for mass and momentum conservation in the pore space and employ the Volume Of Fluid (VOF) method to track the evolution of the interface. In the VOF the distribution of the phases is described by a fluid function (whole-domain formulation) and special boundary conditions account for the wetting properties of the porous medium. In the first part of this thesis we simulate drainage in a 2-D Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles. We show that the proposed approach can handle very large density and viscosity ratios and it is able to model the transition from stable displacement to viscous fingering. We then focus on the interpretation of the macroscopic capillary pressure showing that pressure average techniques are subject to several limitations and they are not accurate in presence of viscous effects and trapping. On the contrary an energy-based definition allows separating viscous and capillary contributions. In the second part of the thesis we investigate inertia effects associated with abrupt and irreversible reconfigurations of the menisci caused by interface instabilities. As a prototype of these phenomena we first consider the dynamics of a meniscus in an angular pore. We show that in a network of cubic pores, jumps and reconfigurations are so frequent that inertia effects lead to different fluid configurations. Due to the non-linearity of the problem, the distribution of the fluids influences the work done by pressure forces, which is in turn related to the pressure drop in Darcy's law. This suggests that these phenomena should be taken into account when upscaling multiphase flow in porous media. The last part of the thesis is devoted to proving the accuracy of the numerical approach by validation with experiments of unstable primary drainage in a quasi-2D porous medium (i.e., Hele-Shaw cell filled with cylindrical obstacles). We perform simulations under different boundary conditions and using different models (2-D integrated and full 3-D) and we compare several macroscopic quantities with the corresponding experiment. Despite the intrinsic challenges of modeling unstable displacement, where by definition small perturbations can grow without bounds, the numerical method gives satisfactory results for all the cases studied.

Cadmium-free quantum dots in aqueous solution: potential for fingermark detection, synthesis and an application to the detection of fingermarks in blood on non-porous surfaces

The use of quantum dots (QDs) in the area of fingermark detection is currently receiving a lot of attention in the forensic literature. Most of the research efforts have been devoted to cadmium telluride (CdTe) quantum dots often applied as powders to the surfaces of interests. Both the use of cadmium and the nano size of these particles raise important issues in terms of health and safety. This paper proposes to replace CdTe QDs by zinc sulphide QDs doped with copper (ZnS:Cu) to address these issues. Zinc sulphide-copper doped QDs were successfully synthesized, characterized in terms of size and optical properties and optimized to be applied for the detection of impressions left in blood, where CdTe QDs proved to be efficient. Effectiveness of detection was assessed in comparison with CdTe QDs and Acid Yellow 7 (AY7, an effective blood reagent), using two series of depletive blood fingermarks from four donors prepared on four non-porous substrates, i.e. glass, transparent polypropylene, black polyethylene and aluminium foil. The marks were cut in half and processed separately with both reagents, leading to two comparison series (ZnS:Cu vs. CdTe, and ZnS:Cu vs. AY7). ZnS:Cu proved to be better than AY7 and at least as efficient as CdTe on most substrates. Consequently, copper-doped ZnS QDs constitute a valid substitute for cadmium-based QDs to detect blood marks on non-porous substrates and offer a safer alternative for routine use.

Simulation of surface waves in porous media

We present a novel numerical algorithm for the simulation of seismic wave propagation in porous media, which is particularly suitable for the accurate modelling of surface wave-type phenomena. The differential equations of motion are based on Biot's theory of poro-elasticity and solved with a pseudospectral approach using Fourier and Chebyshev methods to compute the spatial derivatives along the horizontal and vertical directions, respectively. The time solver is a splitting algorithm that accounts for the stiffness of the differential equations. Due to the Chebyshev operator the grid spacing in the vertical direction is non-uniform and characterized by a denser spatial sampling in the vicinity of interfaces, which allows for a numerically stable and accurate evaluation of higher order surface wave modes. We stretch the grid in the vertical direction to increase the minimum grid spacing and reduce the computational cost. The free-surface boundary conditions are implemented with a characteristics approach, where the characteristic variables are evaluated at zero viscosity. The same procedure is used to model seismic wave propagation at the interface between a fluid and porous medium. In this case, each medium is represented by a different grid and the two grids are combined through a domain-decomposition method. This wavefield decomposition method accounts for the discontinuity of variables and is crucial for an accurate interface treatment. We simulate seismic wave propagation with open-pore and sealed-pore boundary conditions and verify the validity and accuracy of the algorithm by comparing the numerical simulations to analytical solutions based on zero viscosity obtained with the Cagniard-de Hoop method. Finally, we illustrate the suitability of our algorithm for more complex models of porous media involving viscous pore fluids and strongly heterogeneous distributions of the elastic and hydraulic material properties.

Fluid flow and dispersion predictions in porous media by utilizing advanced numerical methods

Diplomityön tavoitteena oli tarkastella numeerisen virtauslaskennan avulla virtaukseen liittyviä ilmiöitä ja kaasun dispersiota. Diplomityön sisältö on jaettu viiteen osaan; johdantoon, teoriaan, katsaukseen virtauksen mallinnukseen huokoisessa materiaalissa liittyviin tutkimusselvityksiin, numeeriseen mallinnukseen sekä tulosten esittämiseen ja johtopäätöksiin. Diplomityön alussa kiinnitettiin huomiota erilaisiin kokeellisiin, numeerisiin ja teoreettisiin mallinnusmenetelmiin, joilla voidaan mallintaa virtausta huokoisessa materiaalissa. Kirjallisuusosassa tehtiin katsaus aikaisemmin julkaistuihin puoliempiirisiin ja empiirisiin tutkimusselvityksiin, jotka liittyvät huokoisen materiaalin aiheuttamaan painehäviöön. Numeerisessa virtauslaskenta osassa rakennettiin ja esitettiin huokoista materiaalia kuvaavat numeeriset mallit käyttäen kaupallista FLUENT -ohjelmistoa. Työn lopussa arvioitiin teorian, numeerisen virtauslaskennan ja kokeellisten tutkimusselvitysten tuloksia. Kolmiulotteisen huokoisen materiaalinnumeerisessa mallinnuksesta saadut tulokset vaikuttivat lupaavilta. Näiden tulosten perusteella tehtiin suosituksia ajatellen tulevaa virtauksen mallinnusta huokoisessa materiaalissa. Osa tässä diplomityössä esitetyistä tuloksista tullaan esittämään 55. Kanadan Kemiantekniikan konferenssissa Torontossa 1619 Lokakuussa 2005. ASME :n kansainvälisessä tekniikan alan julkaisussa. Työ on hyväksytty esitettäväksi esitettäväksi laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) aihealueessa 'Peruskäsitteet'. Lisäksi työn yksityiskohtaiset tulokset tullaan lähettämään myös CES:n julkaisuun.

Development of Raman microscopy methods for polymer coatings of polyfilms

Työn tavoitteena oli tutkia Raman-spektrometrin soveltuvuutta muovipäällystettyjen kartonkien syvyyssuuntaisiin mittauksiin. Lisäksi pyrittiin selvittämään voidaanko kiteisyyttä nähdä Raman-laitteistolla. Työn kirjallisessa osassa on selvitetty Raman-laitteiston teknisiä ominaisuuksia. Kokeellinen osa suoritettiin Lappeenrannan teknillisessä yliopistossa Membraanitekniikan ja teknillisen polymeerikemian laboratoriossa. Työssä käytettiin Horiban Jobin Yvon¿in valmistamaa konfokaalista Raman-spektrometri-laitteistoa (LabRam). Syvyyssuuntaisissa mittauksissa käytettiin apuna motorisoitua x-, y- ja z-suuntaan liikkuvaa tasoa. Mittaukset suoritettiin pistemäisesti tietyllä askelvälillä fokusoimalla näytteen pinnasta sisällepäin. Syvyysprofilointimittaukset aloitettiinmäärittelemällä laitteiston syvyysresoluutio eri konfokaalireikäkoolla. Lisäksityössä tehtiin syvyysprofilointimittauksia sekä läpinäkyvillä monikerrosmuoveilla että muovipäällystetyillä kartongeilla. Työssä mitatut muovipäällysteet sisälsivät pääasiassa polyeteeniä. Tulokset osoittivat, että Raman laitteistolla voidaan havainnoida Raman-aktiiviset ryhmät näytteen eri kerroksista. Lisäksi polyeteenin kiteisyysaste voidaan havaita tietyillä aallonpituuksilla.