Propriétés magnétiques de la supraconductivité SO(5)

Mémoire numérisé par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Aerodynamic Testing of Variable Message Signs

The increasing nationwide interest in intelligent transportation systems (ITS) and the need for more efficient transportation have led to the expanding use of variable message sign (VMS) technology. VMS panels are substantially heavier than flat panel aluminum signs and have a larger depth (dimension parallel to the direction of traffic). The additional weight and depth can have a significant effect on the aerodynamic forces and inertial loads transmitted to the support structure. The wind induced drag forces and the response of VMS structures is not well understood. Minimum design requirements for VMS structures are contained in the American Association of State Highway Transportation Officials Standard Specification for Structural Support for Highway Signs, Luminaires, and Traffic Signals (AASHTO Specification). However the Specification does not take into account the prismatic geometry of VMS and the complex interaction of the applied aerodynamic forces to the support structure. In view of the lack of code guidance and the limited number research performed so far, targeted experimentation and large scale testing was conducted at the Florida International University (FIU) Wall of Wind (WOW) to provide reliable drag coefficients and investigate the aerodynamic instability of VMS. A comprehensive range of VMS geometries was tested in turbulence representative of the high frequency end of the spectrum in a simulated suburban atmospheric boundary layer. The mean normal, lateral and vertical lift force coefficients, in addition to the twisting moment coefficient and eccentricity ratio, were determined using the measured data for each model. Wind tunnel testing confirmed that drag on a prismatic VMS is smaller than the 1.7 suggested value in the current AASHTO Specification (2013). An alternative to the AASHTO Specification code value is presented in the form of a design matrix. Testing and analysis also indicated that vortex shedding oscillations and galloping instability could be significant for VMS signs with a large depth ratio attached to a structure with a low natural frequency. The effect of corner modification was investigated by testing models with chamfered and rounded corners. Results demonstrated an additional decrease in the drag coefficient but a possible Reynolds number dependency for the rounded corner configuration.

Mechanisms Governing the Eyewall Replacement Cycle in Numerical Simulations of Tropical Cyclones

Eyewall replacement cycle (ERC) is frequently observed during the evolution of intensifying Tropical Cyclones (TCs). Although intensely studied in recent years, the underlying mechanisms of ERC are still poorly understood, and the forecast of ERC remains a great challenge. To advance our understanding of ERC and provide insights in improvement of numerical forecast of ERC, a series of numerical simulations is performed to investigate ERCs in TC-like vortices on a f-plane. The simulated ERCs possess key features similar to those observed in real TCs including the formation of a secondary tangential wind maximum associated with the outer eyewall. The Sawyer-Eliassen equation and tangential momentum budget analyses are performed to diagnose the mechanisms underlying the secondary eyewall formation (SEF) and ERC. Our diagnoses reveal crucial roles of outer rainband heating in governing the formation and development of the secondary tangential wind maximum and demonstrate that the outer rainband convection must reach a critical strength relative to the eyewall before SEF and the subsequent ERC can occur. A positive feedback among low-level convection, acceleration of tangential winds in the boundary layer, and surface evaporation that leads to the development of ERC and a mechanism for the demise of inner eyewall that involves interaction between the transverse circulations induced by eyewall and outer rainband convection are proposed. The tangential momentum budget indicates that the net tendency of tangential wind is a small residual resultant from a large cancellation between tendencies induced by the resolved and sub-grid scale (SGS) processes. The large SGS contribution to the tangential wind budget explains different characteristics of ERC shown in previous numerical studies and poses a great challenge for a timely correct forecast of ERC. The sensitivity experiments show that ERCs are strongly subjected to model physics, vortex radial structure and background wind. The impact of model physics on ERC can be well understood with the interaction among eyewall/outer rainband heating, radilal inflow in the boundary layer, surface layer turbulent processes, and shallow convection in the moat. However, further investigations are needed to fully understand the exhibited sensitivities of ERC to vortex radial structure and background wind.

Wind Shear, Gust, and Yaw-Induced Dynamic Stall on Wind-Turbine Blades

This study examined the effect of a spanwise angle of attack gradient on the growth and stability of a dynamic stall vortex in a rotating system. It was found that a spanwise angle of attack gradient induces a corresponding spanwise vorticity gradient, which, in combination with spanwise flow, results in a redistribution of circulation along the blade. Specifically, when modelling the angle of attack gradient experienced by a wind turbine at the 30% span position during a gust event, the spanwise vorticity gradient was aligned such that circulation was transported from areas of high circulation to areas of low circulation, increasing the local dynamic stall vortex growth rate, which corresponds to an increase in the lift coefficient, and a decrease in the local vortex stability at this point. Reversing the relative alignment of the spanwise vorticity gradient and spanwise flow results in circulation transport from areas of low circulation generation to areas of high circulation generation, acting to reduce local circulation and stabilise the vortex. This circulation redistribution behaviour describes a mechanism by which the fluctuating loads on a wind turbine are magnified, which is detrimental to turbine lifetime and performance. Therefore, an understanding of this phenomenon has the potential to facilitate optimised wind turbine design.

Surface wave and storm surge prediction during Hurricane Sandy

Hurricane Sandy was the largest storm on historical record in the Atlantic Ocean basin with extensive coastal damage caused by large waves and high storm surge. The primary objectives of this thesis are to compare and evaluate three different spatially-varying surface wind fields of Hurricane Sandy to investigate the impact of the differences between the complex wind fields on predictions of the sea surface evolution, and to evaluate the impact of the storm on the hydrodynamics in Great South Bay (GSB) and the discharge of ocean water into the back-barrier bay from overwash over Fire Island. Three different spatially-varying surface wind fields were evaluated and compared to wind observations, including the parametric Holland (1980) model (H80), the parametric Generalized Asymmetric Holland Model (GAHM), and results from the WeatherFlow Regional Atmospheric Modelling System (WRAMS). The winds were used to drive the coupled Delft3D-SWAN hydrodynamic and ocean wave models on a regional grid. The results indicate that the WRAMS wind field produces wave model predictions in the best agreement with significant wave height observations, followed by the GAHM and H80 wind fields and that a regional atmospheric wind model is best for hindcasting hurricane waves and water levels when detailed observations are available, while a parametric vortex model is best for forecasting hurricane sea surface conditions. Using a series of four connected Delft3D-SWAN grids to achieve finer resolution over Fire Island and GSB, a higher resolution WRAMS was used to predict waves and storm surge. The results indicate that strong local winds have the largest influence on water level fluctuations in GSB. Three numerical solutions were conducted with varying extents of barrier island overwash. The simulations allowing for minor and major overwash indicated good agreement with observations in the east end of GSB and suggest that island overwash provided a significant contribution of ocean water to GSB during the storm. Limiting the overwash in the numerical model directly impacts the total discharge into GSB from the ocean through existing inlets. The results of this study indicate that barrier island overwash had a significant impact on the water levels in eastern GSB.

Effective end wall profiling rules for a highly loaded compressor cascade

This paper presents a numerical study of a linear compressor cascade to investigate the effective end wall profiling rules for highly-loaded axial compressors. The first step in the research applies a correlation analysis for the different flow field parameters by a data mining over 600 profiling samples to quantify how variations of loss, secondary flow and passage vortex interact with each other under the influence of a profiled end wall. The result identifies the dominant role of corner separation for control of total pressure loss, providing a principle that only in the flow field with serious corner separation does the does the profiled end wall change total pressure loss, secondary flow and passage vortex in the same direction. Then in the second step, a multi-objective optimization of a profiled end wall is performed to reduce loss at design point and near stall point. The development of effective end wall profiling rules is based on the manner of secondary flow control rather than the geometry features of the end wall. Using the optimum end wall cases from the Pareto front, a quantitative tool for analyzing secondary flow control is employed. The driving force induced by a profiled end wall on different regions of end wall flow are subjected to a detailed analysis and identified for their positive/negative influences in relieving corner separation, from which the effective profiling rules are further confirmed. It is found that the profiling rules on a cascade show distinct differences at design point and near stall point, thus loss control of different operating points is generally independent.

Kelvin-Helmholtz instability in solar chromospheric jets: theory and observation

Using data obtained by the high-resolution CRisp Imaging SpectroPolarimeter instrument on the Swedish 1 m Solar Telescope, we investigate the dynamics and stability of quiet-Sun chromospheric jets observed at the disk center. Small-scale features, such as rapid redshifted and blueshifted excursions, appearing as high-peed jets in the wings of the Hα line, are characterized by short lifetimes and rapid fading without any descending behavior. To study the theoretical aspects of their stability without considering their formation mechanism, we model chromospheric jets as twisted magnetic flux tubes moving along their axis, and use the ideal linear incompressible magnetohydrodynamic approximation to derive the governing dispersion equation. Analytical solutions of the dispersion equation indicate that this type of jet is unstable to Kelvin–Helmholtz instability (KHI), with a very short (few seconds) instability growth time at high upflow speeds. The generated vortices and unresolved turbulent flows associated with the KHI could be observed as a broadening of chromospheric spectral lines. Analysis of the Hα line profiles shows that the detected structures have enhanced line widths with respect to the background. We also investigate the stability of a larger-scale Hα jet that was ejected along the line of sight. Vortex-like features, rapidly developing around the jet’s boundary, are considered as evidence of the KHI. The analysis of the energy equation in the partially ionized plasma shows that ion–neutral collisions may lead to fast heating of the KH vortices over timescales comparable to the lifetime of chromospheric jets.

A Non-catalytic Deep Desulphurization Process using Hydrodynamic Cavitation

A novel approach is developed for desulphurization of fuels or organics without use of catalyst. In this process, organic and aqueous phases are mixed in a predefined manner under ambient conditions and passed through a cavitating device. Vapor cavities formed in the cavitating device are then collapsed which generate (in-situ) oxidizing species which react with the sulphur moiety resulting in the removal of sulphur from the organic phase. In this work, vortex diode was used as a cavitating device. Three organic solvents (n-octane, toluene and n-octanol) containing known amount of a model sulphur compound (thiophene) up to initial concentrations of 500 ppm were used to verify the proposed method. A very high removal of sulphur content to the extent of 100% was demonstrated. The nature of organic phase and the ratio of aqueous to organic phase were found to be the most important process parameters. The results were also verified and substantiated using commercial diesel as a solvent. The developed process has great potential for deep of various organics, in general, and for transportation fuels, in particular.

Comparison of DES predictions of turbulent flow and heat transfer in a 45° ribbed duct

Numerical predictions of the turbulent flow and heat transfer of a stationary duct with square ribs 45° angled to the main flow direction are presented. The rib height to channel hydraulic diameter is 0.1, the rib pitch to rib height is 10. The calculations have been carried out for a bulk Reynolds number of 50,000. The flows generated by ribs are dominated by separating and reattaching shear layers with vortex shedding and secondary flows in the cross-section. The hybrid RANS-LES approach is adopted to simulate such flows at a reasonable computation cost. The capability of the various versions of DES method, depending the RANS model, such as DES-SA, DES-RKE, DES-SST, have been compared and validated against the experiment. The significant effect of RANS model on the accuracy of the DES prediction has been shown. The DES-SST method, which was able to reproduce the correct physics of flow and heat transfer in a ribbed duct showed better performance than others.

Comprendre et maîtriser le passage de type I à type II de puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur substrat de GaSb

Les antimoniures sont des semi-conducteurs III-V prometteurs pour le développement de dispositifs optoélectroniques puisqu'ils ont une grande mobilité d'électrons, une large gamme spectrale d'émission ou de détection et offrent la possibilité de former des hétérostructures confinées dont la recombinaison est de type I, II ou III. Bien qu'il existe plusieurs publications sur la fabrication de dispositifs utilisant un alliage d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) qui émet ou détecte à une certaine longueur d'onde, les détails, à savoir comment sont déterminés les compositions et surtout les alignements de bande, sont rarement explicites. Très peu d'études fondamentales sur l'incorporation d'indium et d'arsenic sous forme de tétramères lors de l'épitaxie par jets moléculaires existent, et les méthodes afin de déterminer l'alignement des bandes des binaires qui composent ces alliages donnent des résultats variables. Un modèle a été construit et a permis de prédire l'alignement des bandes énergétiques des alliages d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) avec celles du GaSb pour l'ensemble des compositions possibles. Ce modèle tient compte des effets thermiques, des contraintes élastiques et peut aussi inclure le confinement pour des puits quantiques. De cette manière, il est possible de prédire la transition de type de recombinaison en fonction de la composition. Il est aussi montré que l'indium ségrègue en surface lors de la croissance par épitaxie par jets moléculaires d'In(x)Ga(1-x)Sb sur GaSb, ce qui avait déjà été observé pour ce type de matériau. Il est possible d'éliminer le gradient de composition à cette interface en mouillant la surface d'indium avant la croissance de l'alliage. L'épaisseur d'indium en surface dépend de la température et peut être évaluée par un modèle simple simulant la ségrégation. Dans le cas d'un puits quantique, il y aura une seconde interface GaSb sur In(x)Ga(1-x)Sb où l'indium de surface ira s'incorporer. La croissance de quelques monocouches de GaSb à basse température immédiatement après la croissance de l'alliage permet d'incorporer rapidement ces atomes d'indium et de garder la seconde interface abrupte. Lorsque la composition d'indium ne change plus dans la couche, cette composition correspond au rapport de flux d'atomes d'indium sur celui des éléments III. L'arsenic, dont la source fournit principalement des tétramères, ne s'incorpore pas de la même manière. Les tétramères occupent deux sites en surface et doivent interagir par paire afin de créer des dimères d'arsenic. Ces derniers pourront alors être incorporés dans l'alliage. Un modèle de cinétique de surface a été élaboré afin de rendre compte de la diminution d'incorporation d'arsenic en augmentant le rapport V/III pour une composition nominale d'arsenic fixe dans l'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y). Ce résultat s'explique par le fait que les réactions de deuxième ordre dans la décomposition des tétramères d'arsenic ralentissent considérablement la réaction d'incorporation et permettent à l'antimoine d'occuper majoritairement la surface. Cette observation montre qu'il est préférable d'utiliser une source de dimères d'arsenic, plutôt que de tétramères, afin de mieux contrôler la composition d'arsenic dans la couche. Des puits quantiques d'In(x)Ga(1-x)As(y)Sb(1-y) sur GaSb ont été fabriqués et caractérisés optiquement afin d'observer le passage de recombinaison de type I à type II. Cependant, celui-ci n'a pas pu être observé puisque les spectres étaient dominés par un niveau énergétique dans le GaSb dont la source n'a pu être identifiée. Un problème dans la source de gallium pourrait être à l'origine de ce défaut et la résolution de ce problème est essentielle à la continuité de ces travaux.

Role and modulation of maternal transcripts during the first cleavage divisions in bovine embryos

Ce travail porte sur l’identification, la fonction et la régulation des molécules maternelles d’ARNm qui dirigent la compétence développementale juste après la fécondation chez les bovins. Tout d’abord, en utilisant le modèle du temps écoulé jusqu’au premier clivage zygotique et à travers l’évaluation du transcriptome des embryons à 2-cellules, il fut possible de déterminer la signature moléculaire des niveaux extrêmes de compétence au développement et sélectionner des molécules candidates pour des études postérieures. Les résultats ont montré que les embryons de capacité développementale variable diffèrent dans certaines fonctions comme la réparation de l’ADN, le traitement de l’ARN, la synthèse de protéines et l’expression génique définies par des ARNm synthétisés par l’ovocyte. Pour obtenir une confirmation fonctionnelle, une paire de transcrits maternels (l’un détecté dans notre sondage précédent et l’autre étant une molécule reliée) ont été inhibés par « knock-down » dans des ovocytes. Les effets du knock-down de ces facteurs de transcription sont apparus avant la formation des blastocystes dû à une diminution de la capacité au clivage et celle à progresser après le stage de 8-cellules. L’analyse moléculaire des embryons knock-down survivants suggère qu’un de ces facteurs de transcription est un contrôleur crucial de l’activation du génome embryonnaire, qui représente une fenêtre développementale dans l’embryogenèse précoce. Dans la dernièr étude, nous avons testé si les facteurs de transcription d’intérêt sont modulés au niveau traductionnel. Des ARNm rapporteurs couplés à la GFP (Protéine fluorescente) contenant soit la version courte ou la version longue de la séquence 3’-UTR des deux molécules furent injectées dans des zygotes pour évaluer leur dynamique traductionnelle. Les résultats ont montré que les éléments cis-régulateurs localisés dans les 3’-UTRs contrôlent leur synchronisation traductionnelle et suggèrent une association entre la compétence développementale et la capacité de synthèse de ces protéines. Ceci conduit à l’idée que ces facteurs de transcription cruciaux sont aussi contrôlés au niveau traductionnel chez les embryons précoces. Les connaissances acquises ont joué un rôle essentiel pour définir le contrôle potentiel des molécules maternelles sur les embryons au début de leur développement. Cette étude nous montre aussi une utilisation potentielle de cette information ainsi que les nouveaux défis présents dans le secteur des technologies reproductives.

Coordination of phosphido-boratabenzene ligands to transition metals

Environ 90% des composés produits industriellement sont fabriqués à l’aide de catalyseurs. C’est pourquoi la conception de catalyseurs toujours plus performants pour améliorer les procédés industriels actuels est toujours d’intérêt. De la grande variété de complexes avec des métaux de transition rapportés jusqu’à présent, les complexes zwitterioniques attirent notre attention par leurs activités catalytiques souvent supérieures aux complexes cationiques normaux. Un complexe métallique zwitterionique est un fragment métal-ligand neutre où la charge positive est située sur le centre métallique et où la charge négative est délocalisée sur un des ligands liés au métal. Nous proposons la synthèse de ligands anioniques phosphine comportant des groupements borates et boratabenzènes. Cette dernière espèce est un cycle à 6 membres où l’un des atomes de carbone est remplacé par un atome de bore et qui est négativement chargé. La capacité de ces phosphines anioniques à se lier à un centre métallique à l’aide de la paire libre du phosphore est due à la nature du lien P-B qui défavorise l’interaction entre la paire libre du phosphore et l’orbitale p vide du bore. Les propriétés de di-tert-butylphosphido-boratabenzène (DTBB) comme ligand phosphine anionique hautement donneur et encombré ainsi que la découverte de ses modes de coordination inhabituels pour stabiliser les métaux de transition insaturés ont été étudiés au cours de ce travail. De nouvelles perspectives sur les modes de coordination de phosphido-boratabenzène et la force de l’interaction du lien P-B seront discutées ainsi que les applications catalytiques. Nous avons d’abord étudié la coordination η1 avec des complexes de fer, ce qui nous a fourni des données quantitatives précieuses sur la capacité du DTBB d’agir comme ligand très donneur par rapport aux autres ligands donneurs bien connus. La capacité du DTBB à changer de mode de coordination pour soutenir les besoins électroniques du métal a été démontrée par la découverte d’une nouvelle espèce ferrocenyl phosphido-boratabenzène et sa nucléophilie a été étudiée. Au meilleur de notre connaissance, aucun exemple d’un ligand boratabenzène coordonné aux métaux du groupe 11 n’existe dans la littérature. Voilà pourquoi nous avons décidé d’explorer les modes de coordination du ligand DTBB avec Cu(I), Ag(I) et Au(I). A notre grande surprise, le ligand DTBB est capable de stabiliser les métaux du groupe 11 aux états d’oxydation faibles par une liaison MP qui est une coordination du type η1, un mode de coordination guère observé pour les ligands boratabenzène. Pendant nos travaux, notre attention s’est tournée vers la synthèse d’un complexe de rhodium(I) afin de tester son utilité en catalyse. A notre grande satisfaction, le complexe Rh-DTBB agit comme un précatalyseur pour l’hydrogénation des alcènes et alcynes à la température ambiante et à pression atmosphérique et son activité est comparable à celle du catalyseur de Wilkinson. Dans un désir d’élargir les applications de notre recherche, notre attention se tourna vers l’utilisation des composés du bore autres que le boratabenzène. Nous avons décidé de synthétiser une nouvelle espèce phosphido-borate encombrée. Lorsqu’elle réagit avec des métaux, l’espèce phosphido-borate subit un clivage de la liaison P-B. Toutefois, cette observation met en évidence la singularité et les avantages de la stabilité de la liaison P-B lors de l’utilisation du fragment boratabenzène. Ces observations enrichissent notre compréhension des conditions dans lesquelles la liaison P-B du ligand DTBB peut être clivée. Ces travaux ont mené à la découverte d’un nouveau ligand ansa-boratabenzène avec une chimie de coordination prometteuse.

Vers un modèle unifié pour l'affichage autostéréoscopique d'images

Dans un premier chapitre, nous décrivons un modèle de formation d’image affichée sur un écran en revenant sur les concepts que sont la lumière, la géométrie et l’optique. Nous détaillons ensuite les différentes techniques d’affichage stéréoscopique utilisées à l’heure actuelle, en parcourant la stéréoscopie, l’autostéréoscopie et plus particulièrement le principe d’imagerie intégrale. Le deuxième chapitre introduit un nouveau modèle de formation d’image stéréoscopique. Ce dernier nous permet d’observer deux images d’une paire stéréoscopique soumises à des éventuelles transformations et à l’effet d’une ou de plusieurs optiques particulières, pour reproduire la perception de trois dimensions. Nous abordons l’aspect unificateur de ce modèle. En effet il permet de décrire et d’expliquer de nombreuses techniques d’affichage stéréoscopique existantes. Enfin, dans un troisième chapitre nous discutons d’une méthode particulière de création de paires d’images stéréoscopiques à l’aide d’un champ lumineux.

Traitement de données observationnelles et développement d’un code de simulation pour SpIOMM et SITELLE

L’arrivée du spectromètre imageur à transformée de Fourier SITELLE au télescope Canada-France-Hawaï souligne la nécessité d’un calculateur de temps d’exposition permettant aux utilisateurs de l’instrument de planifier leurs observations et leurs demandes de temps de télescope. Une grande partie de mon projet est ainsi le développement d’un code de simulation capable de reproduire les résultats de SITELLE et de son prédecesseur SpIOMM, installé à l’Observatoire du Mont-Mégantic. La précision des simulations est confirmée par une comparaison avec des données SpIOMM et les premières observations de SITELLE. La seconde partie de mon projet consiste en une analyse spectrale de données observationelles. Prenant avantage du grand champ de vue de SpIOMM, les caractéristiques du gaz ionisé (vitesse radiale et intensité) sont étudiées pour l’ensemble de la paire de galaxies en interaction Arp 72. La courbe de rotation dans le visible ainsi que le gradient de métallicité de NGC 5996, la galaxie principale d’Arp 72, sont obtenues ici pour la première fois. La galaxie spirale NGC 7320 est également étudiée à partir d’observations faites à la fois avec SpIOMM et SITELLE.

A three dimensional finite volume approach to the thermo-mechanical modelling of the shape casting of metals

This paper presents a three dimensional, thermos-mechanical modelling approach to the cooling and solidification phases associated with the shape casting of metals ei. Die, sand and investment casting. Novel vortex-based Finite Volume (FV) methods are described and employed with regard to the small strain, non-linear Computational Solid Mechanics (CSM) capabilities required to model shape casting. The CSM capabilities include the non-linear material phenomena of creep and thermo-elasto-visco-plasticity at high temperatures and thermo-elasto-visco-plasticity at low temperatures and also multi body deformable contact with which can occur between the metal casting of the mould. The vortex-based FV methods, which can be readily applied to unstructured meshes, are included within a comprehensive FV modelling framework, PHYSICA. The additional heat transfer, by conduction and convection, filling, porosity and solidification algorithms existing within PHYSICA for the complete modelling of all shape casting process employ cell-centred FV methods. The termo-mechanical coupling is performed in a staggered incremental fashion, which addresses the possible gap formation between the component and the mould, and is ultimately validated against a variety of shape casting benchmarks.