Small scale turbulence in high Karlovitz number premixed flames

The purpose of this thesis is to characterize the behavior of the smallest turbulent scales in high Karlovitz number (Ka) premixed flames. These scales are particularly important in the two-way coupling between turbulence and chemistry and better understanding of these scales will support future modeling efforts using large eddy simulations (LES). The smallest turbulent scales are studied by considering the vorticity vector, ω, and its transport equation.

Due to the complexity of turbulent combustion introduced by the wide range of length and time scales, the two-dimensional vortex-flame interaction is first studied as a simplified test case. Numerical and analytical techniques are used to discern the dominate transport terms and their effects on vorticity based on the initial size and strength of the vortex. This description of the effects of the flame on a vortex provides a foundation for investigating vorticity in turbulent combustion.

Subsequently, enstrophy, ω² = ω • ω, and its transport equation are investigated in premixed turbulent combustion. For this purpose, a series of direct numerical simulations (DNS) of premixed n-heptane/air flames are performed, the conditions of which span a wide range of unburnt Karlovitz numbers and turbulent Reynolds numbers. Theoretical scaling analysis along with the DNS results support that, at high Karlovitz number, enstrophy transport is controlled by the viscous dissipation and vortex stretching/production terms. As a result, vorticity scales throughout the flame with the inverse of the Kolmogorov time scale, τ_η, just as in homogeneous isotropic turbulence. As τ_η is only a function of the viscosity and dissipation rate, this supports the validity of Kolmogorov’s first similarity hypothesis for sufficiently high Ka numbers (Ka ≳ 100). These conclusions are in contrast to low Karlovitz number behavior, where dilatation and baroclinic torque have a significant impact on vorticity within the flame. Results are unaffected by the transport model, chemical model, turbulent Reynolds number, and lastly the physical configuration.

Next, the isotropy of vorticity is assessed. It is found that given a sufficiently large value of the Karlovitz number (Ka ≳ 100) the vorticity is isotropic. At lower Karlovitz numbers, anisotropy develops due to the effects of the flame on the vortex stretching/production term. In this case, the local dynamics of vorticity in the strain-rate tensor, S, eigenframe are altered by the flame. At sufficiently high Karlovitz numbers, the dynamics of vorticity in this eigenframe resemble that of homogeneous isotropic turbulence.

Combined, the results of this thesis support that both the magnitude and orientation of vorticity resemble the behavior of homogeneous isotropic turbulence, given a sufficiently high Karlovitz number (Ka ≳ 100). This supports the validity of Kolmogorov’s first similarity hypothesis and the hypothesis of local isotropy under these condition. However, dramatically different behavior is found at lower Karlovitz numbers. These conclusions provides/suggests directions for modeling high Karlovitz number premixed flames using LES. With more accurate models, the design of aircraft combustors and other combustion based devices may better mitigate the detrimental effects of combustion, from reducing CO₂ and soot production to increasing engine efficiency.

Approximate analytical description for fundamental-mode fields of graded-index fibers: Beyond the Gaussian approximation

An approximate analytical description for fundamental-mode fields of graded-index fibers is explicitly presented by use of the power-series expansion method, the maximum-value condition at the fiber axis, the decay properties of fundamental-mode fields at large distance from the fiber axis, and the approximate modal parameters U obtained from the Gaussian approximation. This analytical description is much more accurate than the Gaussian approximation and at the same time keep the simplicity of the latter. As two special examples, we present the approximate analytical formulas for the fundamental-mode fields of a step profile fiber and a Gaussian profile fiber, and we find that they are both highly accurate in the single-mode range by comparing them with the corresponding exact solutions.

Effects of the frequency chirp on the fields of a chirped Gaussian pulse passing through a hard-edged aperture

Based on the Huygens-Fresnel diffraction integral and Fourier transform, propagation expression of a chirped Gaussian pulse passing through a hard-edged aperture is derived. Intensity distributions of the pulse with different frequency chirp in the near-field and far-field are analyzed in detail by numerical calculations. In the near-field, amplitudes of the intensity peaks generated by the modulation of the hard-edged aperture decrease with increasing the frequency chirp, which results in the improving of the beam uniformity. A physical explanation for the smoothing effect brought by increasing the frequency chirp is given. The smoothing effect is achieved not only in the pulse with Gaussian transverse profile but also in the pulse with Hermite-Gaussian transverse profile when the frequency chirp increases. (C) 2005 Elsevier B.V. All rights reserved.

Modal fields and bending loss analyses of three-layer large flattened mode fibers

Theoretical method to analyze three-layer large flattened mode (LFM) fibers is presented. The modal fields, including the fundamental and higher order modes, and bending loss of the fiber are analyzed. The reason forming the different modal fields is explained and the feasibility to filter out the higher order modes via bending to realize high power, high beam quality fiber laser is given. Comparisons are made with the standard step-index fiber. (c) 2006 Elsevier B.V. All rights reserved.

Fields of apertured polychromatic laser beams with Gaussian and Hermite-Gaussian transverse modes

Starting from the Huygens-Fresnel diffraction integral, the field expressions of apertured polychromatic laser beams with Gaussian and Hermite-Gaussian transverse modes are derived. Influence of the bandwidth on the intensity distributions of the laser beams is analyzed. It is found that when the bandwidth increases, the amplitudes and numbers of the intensity spikes decrease and beam uniformity is improved in the near field and the width of transverse intensity distribution of the apertured beams decreases in the far field. Thus, the smoothing and narrowing effects can be achieved by increasing the bandwidth. Also, these effects are found in the laser beams with Hermite-Gaussian transverse modes as the bandwidth increases.(c) 2006 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Electromagnetic fields and transmission properties in tapered hollow metallic waveguides

We analyze the electromagnetic spatital distributions and address an important issue of the transmission properties of spherical transverse-electric (TE) and transverse-magnetic (TM) eigenmodes within a tapered hollow metallic waveguide in detail. Explicit analytical expressions for the spatital distributions of electromagnetic field components, attenuation constant, phase constant and wave impedance are derived. Accurate eigenvalues obtained numerically are used to study the dependences of the transmission properties on the taper angle, the mode as well as the length of the waveguide. It is shown that all modes run continuously from a propagating through a transition to an evanescent region and the value of the attenuation increases as the distance from the cone vertex and the cone angle decrease. A strict distinction between pure propagating and pure evanescent modes cannot be achieved. One mode after the other reaches cutoff in the tapered hollow metallic waveguide as the distance from the cone vertex desreases. (C) 2008 Optical Society of America

Palinologia de espécies de Convolvulaceae Juss. ocorrentes na região Sudeste, Brasil - tribos Merremieae e Cuscuteae

A família Convolvulaceae é cosmopolita, com ampla distribuição nos trópicos e subtrópicos. No Brasil, ocorrem 18 gêneros e cerca de 340 espécies, sendo 151 endêmicas de campos rupestres, cerrados ou caatingas. Este trabalho refere-se ao estudo palinotaxonômico dos grãos de pólen de táxons de Convolvulaceae ocorrentes na região sudeste, Brasil tribos Merremieae e Cuscuteae. Foram analisados os grãos de pólen de 6 táxons de Cuscuta L., 12 táxons de Merremia Dennst. e 2 táxons de Operculina S. Manso. O material botânico utilizado foi obtido através de exsicatas depositadas nos principais herbários nacionais. Os grãos de pólen foram tratados pelo método de acetólise, sendo posteriormente mensurados, descritos, fotomicrografados em microscopia de luz. Para análise em microscópio eletrônico de varredura (MEV), as anteras foram rompidas e os grãos de pólen, não acetolisados, espalhados sobre uma fita de carbono. Os resultados obtidos neste estudo demonstraram que: na tribo Cuscuteae foram registrados pela primeira vez, grãos de pólen colporados; na tribo Merremieae, a morfologia polínica das espécies de Merremia mostraram variações já registradas em publicações anteriores porém, a ausência de polaridade em alguns táxons é um resultado inédito. O número, a forma das aberturas e a presença de opérculo, a ornamentação de base, ou seja, microrretículo, retículo ou perfuração e as supra ornamentações (grânulos, espinhos e microespinhos) também foram registros importantes aqui mencionados. No gênero Operculina, os resultados aqui expressos foram novos, uma vez que as poucas bibliografias anteriores fizeram menção apenas à quantidade de aberturas para o gênero.O Tamanho, a forma e a ornamentação da sexina características são descritas pela primeira vez neste estudo. Os resultados aqui obtidos permitem confirmar que Cuscuta, Merremia e Operculina puderam ser identificados através dos atributos polínicos bem como, suas espécies foram separadas na chave aqui elaborada. Confirma-se, assim, que os gêneros estudados são euripolínicos.

O comportamento em campo aberto como modelo para avaliar a recuperação funcional após lesão unilateral dos barris do córtex somatossensorial

Em roedores, as vibrissas são detectores táteis que desempenham papel importante na exploração espacial do ambiente e na discriminação de texturas. No córtex somatosensorial, os campos receptivos de cada uma das vibrissas estão organizados no hemisfério contralateral em colunas discretas denominadas barris. A lesão unilateral dos barris produz um comportamento assimétrico caracterizado pela redução no uso da vibrissa contralateral à lesão na exploração do ambiente, assimetria esta que diminui progressivamente na medida em que os animais são repetidamente testados. Em ratos, este comportamento, normalmente medido pelo número de vezes que os animais encostam as vibrissas na parede de um campo aberto, tem se mostrado uma ferramenta importante em estudos de plasticidade e recuperação funcional após lesões corticais. Contudo, em camundongos com lesões unilaterais dos barris, o registro dos toques das vibrissas na parede tem levado a resultados contraditórios. Esse trabalho tem por objetivo principal o estabelecimento de um modelo comportamental para avaliação da recuperação funcional após lesões unilaterais dos barris do córtex somatosensorial em camundongos. Para tanto, o sentido dos deslocamentos realizados próximos às quinas do campo aberto foi registrado em camundongos Suíços machos submetidos à criolesão unilateral dos barris foi avaliado em três estudos independentes. No primeiro estudo, demonstramos que no grupo Criolesado houve um predomínio dos deslocamentos em sentido contralateral na primeira vez em que foram testados no campo aberto e este resultado foi independente do fato de na primeira sessão ter sido realizada um ou nove dias após a cirurgia. Além disso, demonstramos que o predomínio de deslocamentos em sentido contralateral foi diminuindo na medida em que os animais eram repetidamente testados no campo aberto. No segundo estudo, demonstramos que os animais do grupo Criolesado que foram previamente submetidos a cinco sessões experimentais no campo aberto não apresentaram, após a cirurgia, diferenças entre os deslocamentos realizados em sentido ipsolateral e contralateral à lesão. Já no terceiro estudo, demonstramos que os animais do grupo Criolesado que não foram previamente testados no campo aberto apresentam um predomínio de deslocamentos em sentido contralateral, mesmo quando o teste foi realizado 48 dias após a lesão unilateral dos barris. Nossos dados sugerem que o sentido dos deslocamentos próximo às quinas do campo aberto pode ser uma ferramenta importante para avaliar a recuperação das lesões unilaterais nos barris do córtex somatosensorial. Além disso, para avaliar a recuperação funcional após a lesão unilateral dos barris do córtex somatossensorial, sem o viés da habituação à situação do teste, os animais devem ser testados apenas uma vez