On the Regulation of Small Actors: Three Experimental Essays about Policies based on Voluntary Compliance and Decentralized Monitoring

Monitoring and enforcement are perhaps the biggest challenges in the design and implementation of environmental policies in developing countries where the actions of many small informal actors cause significant impacts on the ecosystem services and where the transaction costs for the state to regulate them could be enormous. This dissertation studies the potential of innovative institutions based on decentralized coordination and enforcement to induce better environmental outcomes. Such policies have in common that the state plays the role of providing the incentives for organization but the process of compliance happens through decentralized agreements, trust building, signaling and monitoring. I draw from the literatures in collective action, common-pool resources, game-theory and non-point source pollution to develop the instruments proposed here. To test the different conditions in which such policies could be implemented I designed two field-experiments that I conducted with small-scale gold miners in the Colombian Pacific and with users and providers of ecosystem services in the states of Veracruz, Quintana Roo and Yucatan in Mexico. This dissertation is organized in three essays.

The first essay, “Collective Incentives for Cleaner Small-Scale Gold Mining on the Frontier: Experimental Tests of Compliance with Group Incentives given Limited State Monitoring”, examines whether collective incentives, i.e. incentives provided to a group conditional on collective compliance, could “outsource” the required local monitoring, i.e. induce group interactions that extend the reach of the state that can observe only aggregate consequences in the context of small-scale gold mining. I employed a framed field-lab experiment in which the miners make decisions regarding mining intensity. The state sets a collective target for an environmental outcome, verifies compliance and provides a group reward for compliance which is split equally among members. Since the target set by the state transforms the situation into a coordination game, outcomes depend on expectations of what others will do. I conducted this experiment with 640 participants in a mining region of the Colombian Pacific and I examine different levels of policy severity and their ordering. The findings of the experiment suggest that such instruments can induce compliance but this regulation involves tradeoffs. For most severe targets – with rewards just above costs – raise gains if successful but can collapse rapidly and completely. In terms of group interactions, better outcomes are found when severity initially is lower suggesting learning.

The second essay, “Collective Compliance can be Efficient and Inequitable: Impacts of Leaders among Small-Scale Gold Miners in Colombia”, explores the channels through which communication help groups to coordinate in presence of collective incentives and whether the reached solutions are equitable or not. Also in the context of small-scale gold mining in the Colombian Pacific, I test the effect of communication in compliance with a collective environmental target. The results suggest that communication, as expected, helps to solve coordination challenges but still some groups reach agreements involving unequal outcomes. By examining the agreements that took place in each group, I observe that the main coordination mechanism was the presence of leaders that help other group members to clarify the situation. Interestingly, leaders not only helped groups to reach efficiency but also played a key role in equity by defining how the costs of compliance would be distributed among group members.

The third essay, “Creating Local PES Institutions and Increasing Impacts of PES in Mexico: A real-Time Watershed-Level Framed Field Experiment on Coordination and Conditionality”, considers the creation of a local payments for ecosystem services (PES) mechanism as an assurance game that requires the coordination between two groups of participants: upstream and downstream. Based on this assurance interaction, I explore the effect of allowing peer-sanctions on upstream behavior in the functioning of the mechanism. This field-lab experiment was implemented in three real cases of the Mexican Fondos Concurrentes (matching funds) program in the states of Veracruz, Quintana Roo and Yucatan, where 240 real users and 240 real providers of hydrological services were recruited and interacted with each other in real time. The experimental results suggest that initial trust-game behaviors align with participants’ perceptions and predicts baseline giving in assurance game. For upstream providers, i.e. those who get sanctioned, the threat and the use of sanctions increase contributions. Downstream users contribute less when offered the option to sanction – as if that option signal an uncooperative upstream – then the contributions rise in line with the complementarity in payments of the assurance game.

SIGNIFICANCE OF HEAT DISSIPATION IN THE CATHODE CATALYST LAYER ON THE LIFETIME AND RELIABILITY OF POLYMER ELECTROLYTE FUEL CELLS

To study the dissipation of heat generated due to the formation of pinholes that cause local hotspots in the catalyst layer of the Polymer Electrolyte Fuel Cell, a two-phase non-isothermal model has been developed by coupling Darcy’s law with heat transport. The domain under consideration is a section of the membrane electrode assembly with a half-channel and a half-rib. Five potential locations where a pinhole might form were analyzed: at the midplane of the channel, midway between the channel midplane and the channel wall, at the channel or rib wall, midway between the rib midplane and the channel wall, at the midplane of the rib. In the first part of this work, a preliminary thermal model was developed. The model was then refined to account for the two-phase effects. A sensitivity study was done to evaluate the effect of the following properties on the maximum temperature in the domain: Catalyst layer thermal conductivity, the Microporous layer thermal conductivity, the anisotropy factor of the Catalyst layer thermal conductivity, the Porous transport layer porosity, the liquid water distribution and the thickness of the membrane and porous layers. Accounting for the two-phase effects, a slight cooling effect was observed across all hotspot locations. The thermal properties of the catalyst layer were shown to have a limited impact on the maximum temperature in the catalyst layer of new fuel cells without pinhole. However, as hotspots start to appear, thermal properties play a more significant role in mitigating the thermal runaway.

Matrix and reservoir-type multipurpose vaginal rings for controlled release of dapivirine and levonorgestrel

A matrix-type silicone elastomer vaginal ring providing 28-day continuous release of dapivirine (DPV) - a lead candidate human immunodeficiency virus type 1 (HIV-1) microbicide compound - has recently demonstrated moderate levels of protection in two Phase III clinical studies. Here, next-generation matrix and reservoir-type silicone elastomer vaginal rings are reported for the first time offering simultaneous and continuous in vitro release of DPV and the contraceptive progestin levonorgestrel (LNG) over a period of between 60 and 180days. For matrix-type vaginal rings comprising initial drug loadings of 100, 150 or 200mg DPV and 0, 16 or 32mg LNG, Day 1 daily DPV release values were between 4132 and 6113μg while Day 60 values ranged from 284 to 454μg. Daily LNG release ranged from 129 to 684μg on Day 1 and 2-91μg on Day 60. Core-type rings comprising one or two drug-loaded cores provided extended duration of in vitro release out to 180days, and maintained daily drug release rates within much narrower windows (either 75-131μg/day or 37-66μg/day for DPV, and either 96-150μg/day or 37-57μg/day for LNG, depending on core ring configuration and ignoring initial lag release effect for LNG) compared with matrix-type rings. The data support the continued development of these devices as multi-purpose prevention technologies (MPTs) for HIV prevention and long-acting contraception.

Levantamento do Tamanho Médio de Bolhas em Escoamento Bifásico Vertical por Técnica Fotográfica

Para confirmar e validar códigos computacionais de escoamento de fluidos, importantes na segurança de reatores nucleares, é preciso que sejam realizadas medidas experimentais. Como a geração de vapor no fluido refrigerante diminui a eficiência de troca térmica a fração de vazio passa a ser um dos parâmetros mais importantes a ser obtido, e que, num escoamento vertical, pode ser conhecido através da quantidade de bolha e seu diâmetro médio.

Concrete deterioration due to sulfide-bearing aggregates

Dans la région de Trois-Rivières (Québec, Canada), plus de 1 000 bâtiments résidentiels et commerciaux montrent de graves problèmes de détérioration du béton. Les problèmes de détérioration sont liés à l’oxydation des sulfures de fer incorporés dans le granulat utilisé pour la confection du béton. Ce projet de doctorat vise à mieux comprendre les mécanismes responsables de la détérioration de béton incorporant des granulats contenant des sulfures de fer, et ce afin de développer une méthodologie pour évaluer efficacement la réactivité potentielle de ce type de granulats. Un examen pétrographique détaillé de carottes de béton extraites de fondations résidentielles montrant différents degré d’endommagement a été réalisé. Le granulat problématique contenant des sulfures de fer a été identifié comme un gabbro à hypersthène incorporant différentes proportions (selon les différentes localisations dans les deux carrières d’origine) de pyrrhotite, pyrite, chalcopyrite et pentlandite. Les produits de réaction secondaires observés dans les échantillons dégradés comprennent des formes minérales de "rouille", gypse, ettringite et thaumasite. Ces observations ont permis de déterminer qu’en présence d’eau et d’oxygène, la pyrrhotite s’oxyde pour former des oxyhydroxides de fer et de l’acide sulfurique qui provoquent une attaque aux sulfates dans le béton. Tout d’abord, la fiabilité de l’approche chimique proposée dans la norme européenne NF EN 12 620, qui consiste à mesurer la teneur en soufre total (ST,% en masse) dans le granulat pour détecter la présence (ou non) de sulfures de fer, a été évaluée de façon critique. Environ 50% (21/43) des granulats testés, représentant une variété de types de roches/lithologies, a montré une ST > 0,10%, montrant qu’une proportion importante de types de roches ne contient pas une quantité notable de sulfure, qui, pour la plupart d’entre eux, sont susceptibles d’être inoffensifs dans le béton. Ces types de roches/granulats nécessiteraient toutefois d’autres tests pour identifier la présence potentielle de pyrrhotite compte tenu de la limite de ST de 0,10 % proposée dans les normes européennes. Basé sur une revue exhaustive de la littérature et de nombreuses analyses de laboratoire, un test accéléré d’expansion sur barres de mortier divisé en deux phases a ensuite été développé pour reproduire, en laboratoire, les mécanismes de détérioration observés à Trois-Rivières. Le test consiste en un conditionnement de 90 jours à 80°C/80% RH, avec 2 cycles de mouillage de trois heures chacun, par semaine, dans une solution d’hypochlorite de sodium (eau de javel) à 6% (Phase I), suivi d’une période pouvant atteindre 90 jours de conditionnement à 4°C/100 % HR (Phase II). Les granulats ayant un potentiel d’oxydation ont présenté une expansion de 0,10 % au cours de la Phase I, tandis que la formation potentielle de thaumasite est détectée par le regain rapide de l’expansion suivi par la destruction des échantillons durant la Phase II. Un test de consommation d’oxygène a également été modifié à partir d’un test de Drainage Minier Acide, afin d’évaluer quantitativement le potentiel d’oxydation des sulfures de fer incorporés dans les granulats à béton. Cette technique mesure le taux de consommation d’oxygène dans la partie supérieure d’un cylindre fermé contenant une couche de matériau compacté afin de déterminer son potentiel d’oxydation. Des paramètres optimisés pour évaluer le potentiel d’oxydation des granulats comprennent une taille de particule inférieure à 150 μm, saturation à 40 %, un rapport de 10 cm d’épaisseur de granulat par 10 cm de dégagement et trois heures d’essai à 22ᵒC. Les résultats obtenus montrent que le test est capable de discriminer les granulats contenant des sulfures de fer des granulats de contrôle (sans sulfures de fer) avec un seuil limite fixé à 5% d’oxygène consommé. Finalement, un protocole d’évaluation capable d’estimer les effets néfastes potentiels des granulats à béton incorporant des sulfures de fer a été proposé. Le protocole est divisé en 3 grandes phases: (1) mesure de la teneur en soufre total, (2) évaluation de la consommation d’oxygène, et (3) un test accéléré d’expansion sur barres de mortier. Des limites provisoires sont proposées pour chaque phase du protocole, qui doivent être encore validées par la mise à l’essai d’un plus large éventail de granulats.

Modélisation d'éléments finis pour les interactions fluide-structure

Cette thèse concerne la modélisation des interactions fluide-structure et les méthodes numériques qui s’y rattachent. De ce fait, la thèse est divisée en deux parties. La première partie concerne l’étude des interactions fluide-structure par la méthode des domaines fictifs. Dans cette contribution, le fluide est incompressible et laminaire et la structure est considérée rigide, qu’elle soit immobile ou en mouvement. Les outils que nous avons développés comportent la mise en oeuvre d’un algorithme fiable de résolution qui intégrera les deux domaines (fluide et solide) dans une formulation mixte. L’algorithme est basé sur des techniques de raffinement local adaptatif des maillages utilisés permettant de mieux séparer les éléments du milieu fluide de ceux du solide que ce soit en 2D ou en 3D. La seconde partie est l’étude des interactions mécaniques entre une structure flexible et un fluide incompressible. Dans cette contribution, nous proposons et analysons des méthodes numériques partitionnées pour la simulation de phénomènes d’interaction fluide-structure (IFS). Nous avons adopté à cet effet, la méthode dite «arbitrary Lagrangian-Eulerian» (ALE). La résolution fluide est effectuée itérativement à l’aide d’un schéma de type projection et la structure est modélisée par des modèles hyper élastiques en grandes déformations. Nous avons développé de nouvelles méthodes de mouvement de maillages pour aboutir à de grandes déformations de la structure. Enfin, une stratégie de complexification du problème d’IFS a été définie. La modélisation de la turbulence et des écoulements à surfaces libres ont été introduites et couplées à la résolution des équations de Navier-Stokes. Différentes simulations numériques sont présentées pour illustrer l’efficacité et la robustesse de l’algorithme. Les résultats numériques présentés attestent de la validité et l’efficacité des méthodes numériques développées.

On the modelling of fire atmosphere/sprinkler spray interacting using an Euler-Lagrange framework

An Euler-Lagrange particle tracking model, developed for simulating fire atmosphere/sprinkler spray interactions, is described. Full details of the model along with the approximations made and restrictions applying are presented. Errors commonly found in previous formulations of the source terms used in this two-phase approach are described and corrected. In order to demonstrate the capabilities of the model it is applied to the simulation of a fire in a long corridor containing a sprinkler. The simulation presented is three-dimensional and transient and considers mass, momentum and energy transfer between the gaseous atmosphere and injected liquid droplets.

The FIREDASS (Fire Detection and Suppression Simulation) Model

The FIREDASS (FIRE Detection And Suppression Simulation) project is concerned with the development of fine water mist systems as a possible replacement for the halon fire suppression system currently used in aircraft cargo holds. The project is funded by the European Commission, under the BRITE EURAM programme. The FIREDASS consortium is made up of a combination of Industrial, Academic, Research and Regulatory partners. As part of this programme of work, a computational model has been developed to help engineers optimise the design of the water mist suppression system. This computational model is based on Computational Fluid Dynamics (CFD) and is composed of the following components: fire model; mist model; two-phase radiation model; suppression model and detector/activation model. The fire model - developed by the University of Greenwich - uses prescribed release rates for heat and gaseous combustion products to represent the fire load. Typical release rates have been determined through experimentation conducted by SINTEF. The mist model - developed by the University of Greenwich - is a Lagrangian particle tracking procedure that is fully coupled to both the gas phase and the radiation field. The radiation model - developed by the National Technical University of Athens - is described using a six-flux radiation model. The suppression model - developed by SINTEF and the University of Greenwich - is based on an extinguishment crietrion that relies on oxygen concentration and temperature. The detector/ activation model - developed by Cerberus - allows the configuration of many different detector and mist configurations to be tested within the computational model. These sub-models have been integrated by the University of Greenwich into the FIREDASS software package. The model has been validated using data from the SINTEF/GEC test campaigns and it has been found that the computational model gives good agreement with these experimental results. The best agreement is obtained at the ceiling which is where the detectors and misting nozzles would be located in a real system. In this paper the model is briefly described and some results from the validation of the fire and mist model are presented.

Misaligned and Polarity-Reversed Faces Determine Face-specific Capacity Limits

Previous research using flanker paradigms suggests that peripheral distracter faces are automatically processed when participants have to classify a single central familiar target face. These distracter interference effects disappear when the central task contains additional anonymous (non-target) faces that load the search for the face target, but not when the central task contains additional non-face stimuli, suggesting there are face-specific capacity limits in visual processing. Here we tested whether manipulating the format of non-target faces in the search task affected face-specific capacity limits. Experiment 1 replicated earlier findings that a distracter face is processed even in high load conditions when participants looked for a target name of a famous person among additional names (non-targets) in a central search array. Two further experiments show that when targets and non-targets were faces (instead of names), however, distracter interference was eliminated under high load—adding non-target faces to the search array exhausted processing capacity for peripheral faces. The novel finding was that replacing non-target faces with images that consisted of two horizontally misaligned face-parts reduced distracter processing. Similar results were found when the polarity of a non-target face image was reversed. These results indicate that face-specific capacity limits are not determined by the configural properties of face processing, but by face parts.

Modulateurs intégrés sur silicium pour la transmission de signaux à modulation d'amplitude multi-niveau

Au cours des dernières années, la photonique intégrée sur silicium a progressé rapidement. Les modulateurs issus de cette technologie présentent des caractéristiques potentiellement intéressantes pour les systèmes de communication à courte portée. En effet, il est prévu que ces modulateurs pourront être opérés à des vitesses de transmission élevées, tout en limitant le coût de fabrication et la consommation de puissance. Parallèlement, la modulation d’amplitude multi-niveau (PAM) est prometteuse pour ce type de systèmes. Ainsi, ce travail porte sur le développement de modulateurs de silicium pour la transmission de signaux PAM. Dans le premier chapitre, les concepts théoriques nécessaires à la conception de modulateurs de silicium sont présentés. Les modulateurs Mach-Zehnder et les modulateurs à base de réseau de Bragg sont principalement abordés. De plus, les effets électro-optiques dans le silicium, la modulation PAM, les différents types d’électrodes intégrées et la compensation des distorsions par traitement du signal sont détaillés.Dans le deuxième chapitre, un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées est présenté. La segmentation des électrodes permet la génération de signaux optiques PAM à partir de séquences binaires. Cette approche permet d’éliminer l’utilisation de convertisseur numérique-analogique en intégrant cette fonction dans le domaine optique, ce qui vise à réduire le coût du système de communication. Ce chapitre contient la description détaillée du modulateur, les résultats de caractérisation optique et de la caractérisation électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, les tests systèmes incluent l’utilisation de pré-compensation ou de post-compensation du signal sous la forme d’égalisation de la réponse en fréquence pour les formats de modulation PAM-4 et PAM-8 à différents taux binaires. Une vitesse de transmission de 30 Gb/s est démontrée dans les deux cas et ce malgré une limitation importante de la réponse en fréquence suite à l’ajout d’un assemblage des circuits radiofréquences (largeur de bande 3 dB de 8 GHz). Il s’agit de la première démonstration de modulation PAM-8 à l’aide d’un modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées. Finalement, les conclusions tirées de ce travail ont mené à la conception d’un deuxième modulateur Mach-Zehnder aux électrodes segmentées présentement en phase de test, dont les performances montrent un très grand potentiel. Dans le troisième chapitre, un modulateur à réseau de Bragg à deux sauts de phase est présenté. L’utilisation de réseaux de Bragg est une approche encore peu développée pour la modulation. En effet, la réponse spectrale de ces structures peut être contrôlée précisément, une caractéristique intéressante pour la conception de modulateurs. Dans ces travaux, nous proposons l’ajout de deux sauts de phase à un réseau de Bragg uniforme pour obtenir un pic de transmission dans la bande de réflexion de celui-ci. Ainsi, il est possible d’altérer l’amplitude du pic de transmission à l’aide d’une jonction pn. Comme pour le deuxième chapitre, ce chapitre inclut la description détaillée du modulateur, les résultats des caractérisations optique et électrique, ainsi que les tests systèmes. De plus, la caractérisation de jonctions pn à l’aide du modulateur à réseau de Bragg est expliquée. Des vitesses de transmission PAM-4 de 60 Gb/s et OOK de 55 Gb/s sont démontrées après la compensation des distorsions des signaux. À notre connaissance, il s’agit du modulateur à réseau de Bragg le plus rapide à ce jour. De plus, pour la première fois, les performances d’un tel modulateur s’approchent de celles des modulateurs de silicium les plus rapides utilisant des microrésonateurs en anneau ou des interféromètres Mach-Zehnder.

Multi-physics modeling of aluminium reduction cells

Aluminium cells involve a range of complex physical processes which act simultaneously to provide a narrow satisfactory operating range. These processes involve electromagnetic fields, coupled with heat transfer and phase change, two phase fluid flow with a range of complexities plus the development of stress in the cell structure. All of these phenomena are coupled in some significant sense and so to provide a comprehensive model of these processes involves their representation simultaneously. Conventionally, aspects of the process have been modeled separately using uncoupled estimates of the effects of the other phenomena; this has enabled the use of standard commercial CFD and FEA tools. In this paper we will describe an approach to the modeling of aluminium cells which describes all the physics simultaneously. This approach uses a finite volume approximation for each of the phenomena and facilitates their interactions directly in the modeling-the complex geometries involved are addressed by using unstructured meshes. The very challenging issues to be overcome in this venture will be outlined and some preliminary results will be shown.