Dissertations / Theses on the topic 'Thermal barriers (plasma control)'

Cette thèse est effectuée dans le cadre du projet Européen "PlasmAero" dont le but est de développer et d'étudier des actionneurs plasmas, et de démontrer leur capacité à contrôler des écoulements aérodynamiques. L'actionneur plasma à Décharge à Barrière Diélectrique (DBD) de surface est un moyen innovant pour contrôler un écoulement en utilisant le vent électrique induit par la force électrohydrodynamique (EHD) générée au sein du gaz ionisé. Une première partie est dédiée à l'étude des actionneurs plasmas. L'influence de la géométrie de l'électrode active d'une DBD est précisée par des mesures électriques, optiques et mécaniques. Les régimes de la décharge de surface peuvent être totalement modifiés, tout commel'évolution de la force EHD en fonction du temps, calculée ici par bilan intégral. Une géométrie optimisée permet de supprimer le régime de décharge streamer et d'augmenter l'efficacité de l'actionneur de 0,65 à 0,97 mN/W. De plus, des configurations à multi-électrodes (sliding discharge et multi-DBD) sont étudiées et développées. Une multi-DBD à potentiels alternés a permis d'obtenir un vent électrique record de 10,5 m/s.L'étude du contrôle d'un écoulement décollé à mi-corde ou en bord de fuite sur l'extrados d'un profil NACA 0015 fait l'objet de la seconde partie de la thèse. Une DBD standard à deux électrodes, une multi-DBD à six électrodes et une DBD de type "nanoseconde" sont utilisées pour agir sur une séparation à des nombres de Reynolds atteignant 1,3μ106, avec une transition naturelle ou déclenchée. Les résultats démontrent que le contrôle permet de repousser efficacement la séparation, améliorant ainsi les performances aérodynamiques du profil
This work is conducted in the framework of the European PlasmAero project that aims to demonstrate how plasma actuators can be used to control aircraft aerodynamic. Surface Dielectric Barrier Discharge (DBD) is an innovative solution to control a flow with the electric wind induced by the electrohydrodynamic (EHD) force produced by a surface discharge. A first part is dedicated to plasma actuators study. The exposed electrode shape of a DBD actuator is investigated by electrical, optical and mechanical characterization. Discharges properties and EHD force evolution is fully dependent of exposed electrode shape. With an optimized active electrode shape, streamer discharge is cancelled while actuator effectiveness is increased from 0.65 to 0.97 mN/W. Flow field induced by multiple electrode design is also investigated. An innovative multi-DBD design is proposed. Inhibition of mutual interaction between successive DBD actuators and exposed electrode shape optimization conduct to an electric wind velocity of 10.5 m/s. In a second part, the control of boundary layer separation on a NACA 0015 airfoil is investigated. An ac DBD, a multi-DBD and a nanosecond DBD are used to manipulate separation at a Reynolds number Re = 1.3μ106, with tripped and natural boundary layer. Results show that actuators can effectively remove the separation existing without actuation

Des composés organiques volatils (COV) présents dans l'air peuvent avoir un fort impact odorant et doivent être traités. Des techniques de traitement classiques permettent de récupérer ou détruire ces composés. Cependant, ces techniques ne sont pas adaptées aux forts débits d'air et/ou aux faibles concentrations, caractéristiques de certains procédés industriels émetteurs de COV. Une alternative prometteuse est l'utilisation de plasmas non-thermiques. Ce type de plasma, obtenu par des décharges électriques hors-équilibre thermodynamique, contient des espèces réactives qui provoquent la destruction des composés organiques volatils. Cette thèse vise à concevoir, construire et tester un réacteur basé sur des plasmas non-thermiques pour le traitement de COV à l'échelle pilote, afin de démontrer la faisabilité d'un tel procédé pour le traitement d'odeurs présentes dans un effluent industriel. Les résultats obtenus montrent que, couplé à un catalyseur, le traitement d'odeurs par plasma non-thermique a un vrai potentiel d'application à l'échelle industrielle. En parallèle, cette thèse cherche à mieux comprendre le rôle des transferts de masse au sein d'un réacteur à l'aide d'un modèle analytique et de simulations numériques. Nous montrons que ces transferts peuvent devenir le processus limitant dans le traitement, et demandent donc une attention particulière lors du design d'un réacteur basé sur des plasmas non-thermiques
Volatile organic compounds (VOC) present in the atmosphere may have a strong odour impact and, being so, must be treated. Some long-established treatment techniques may be able to recover or destruct these compounds. However, these techniques are not suitable for high flow rates and/or low concentrations, typical conditions found in certain VOC-emitting industrial processes. A promising alternative is the use of non-thermal plasmas. This kind of plasma, obtained through non-equilibrium electric discharges, produce reactive species that prompt the destruction of volatile organic compounds. This thesis aims to conceive, build and test a reactor based on non-thermal plasmas for the abatement of volatile organic compounds at pilot scale, in order to demonstrate the feasability of using such a process to treat odourous compounds present in an industrial effluent. The obtained results show that, combined with a catalyst, the use of non-thermal plasmas for odour control in industrial scale has a real potential. In parallel, this thesis seeks a better understanding of the role played by mass transfer in a non-thermal plasma reactor through the use of an analytical model and numerical simulations. We show that mass transfer may become the limiting process of the treatment, and therefore requires special care throughout the design of a non-thermal plasma reactor

The effective management of submersed aquatic macrophytes depends on understanding their reproductive biology. Potamogeton crispus L. (curlyleaf pondweed, Potamogetonaceae) produces numerous asexual propagules that make traditional management difficult. It has spread to roughly half of the counties in California (USA) from alpine habitats such as Lake Tahoe to the tidally influenced Sacramento-San Joaquin Delta. Studies were conducted from May 2012 till October 2012 at the bench and mesocosm scales in Davis and Sacramento, California, to explore the effects of benthic barrier control measures on the propagules (turions) of Potamogeton crispus. The first study examined the effects of three benthic barrier materials (jute, polyethylene and rubber) on turion sprouting. Jute benthic barrier material allows some light and oxygen through the fabric, while polyethylene allows oxygen, but not light. Rubber barrier material blocks light and oxygen exchange. Turion viability, as determined by sprouting, was then assessed post-treatment. Results showed no significant differences at the bench-scale for the untreated control (100% sprouting, SE=0%), jute (100% sprouting, SE=0%), or polyethylene treatments (96.9%, SE=2.1%) (n=16 for all treatments, α = 0.05). Rubber treatments resulted in 48.4% sprouting (SE= 10.6%; n=16). Results for the mesocosm experiments showed significant differences between the control and the jute and polyethylene treatments (control = 98.4% sprouting, SE= 1.6%; jute = 71.9% sprouting, SE= 4.5%; polyethylene= 70.3% sprouting, SE= 4.7%, n=16 for all treatments). Jute and polyethylene treatments were not significantly different in the mesocosm experiment. The mesocosm experiment with the rubber barrier significantly reduced sprouting (29.7% sprouting, SE= 6.1%; n=16) compared to other treatments. While light had minimal impact on sprouting, anoxia appeared to be the main factor inhibiting sprouting using benthic bottom barriers. Barrier induced anoxic stress combined with herbicides may potentially offer enhanced efficacy. The second study explored enhancement of the impermeable rubber barrier material with dilute acetic acid loaded into cassava starch "pearls". Turions were exposed for two weeks and then assessed for viability via post-treatment sprouting protocol with and without hydrosoil at the bench- and mesocosm-scale. Results for the bench-scale showed that the 20.8 mmol L^–1 acetic acid treatment was not significantly different (p=.4231) compared to the untreated control (Tukey HDS; p≤0.05). However, the 41.6 mmol L^–1 acetic acid treatment was highly significantly different from the control (p-value < 0.0001) at the bench-scale, but did not completely inhibit sprouting (mean sprouting of 31.25% (SE= 11.97)). Complete inhibition of sprouting turions occurred for both experiments at and above acetic acid concentrations of 83.3 mmol L^–1 (SE= 0). Results showed that tapioca starch saturated with acetic acid and combined with impermeable benthic barriers may offer an effective chemical treatment for the control of Potamogeton crispus. The final study examined hot water exposures under the barriers to kill and inhibit sprouting in turions. Heated water circulated under an insulated benthic bottom barrier may potentially offer a simple non-chemical rapid method to target surface propagules on the sediment, subterranean propagules and young plants. Heated water was used to treat P. crispus turions at the bench and mesocosm scales (25°C, 40°C, 50°C, 60°, 70°C and 80°C exposures for 30 to 300 seconds). Heated water exposures inhibited sprouting turions at 50°C and 60°C at the mesocosm and the bench scales, however, did not completely inhibit sprouting for all time exposures except at the bench-scale 60°C treatment for 300 seconds. For 70°C and 80°C treatment exposures, there was a slight difference at the 30 second exposure mark, but at 60 second and beyond, all 70°C and 80°C treatments provided 100% inhibition. The cost to raise the temperature 60°C from ambient water temperature under the contained limited volume under insulated barriers is estimated to be approximately $2 per 9.3 m² (100 ft²) for 5 minute treatments or $3459 ha^-1 ($1400 acre^-1).

Thesis (Ph.D.)--Tufts University, 2000.
Adviser: Charalabos Doumanidis. Submitted to the Dept. of Mechanical Engineering. Includes bibliographical references (leaves 118-124). Access restricted to members of the Tufts University community. Also available via the World Wide Web;

Les interactions entre les flammes et les phénomènes thermiques sont le fil conducteur de ce travail. En effet, les flammes produisent de la chaleur, mais peuvent aussi être affectées par des transferts ou des sources de chaleur. La Simulation aux Grandes Echelles (SGE) est utilisée ici pour étudier ces interactions, en mettant l’accent sur deux sujets principaux: le transfert de chaleur aux parois et le contrôle de la combustion. Dans un premier temps, on étudie le transfert de chaleur aux parois dans un modèle de brûleur CH4/O2 de moteur-fusée. Dans un contexte deréutilisabilité et de réduction des coûts des lanceurs, qui constituent des enjeux majeurs, de nouveaux couples de propergols sont envisagés et les flux thermiques à la paroi doivent êtreprécisément prédits. Le but de ce travail est d’évaluer les besoins et les performances des SGEpour simuler ce type de configuration et de proposer une méthodologie de calcul permettant desimuler différentes configurations. Les résultats numériques sont comparés aux donnéesexpérimentales fournies par la Technische Universität München (Allemagne). Dans un deuxième temps, le contrôle de la combustion au moyen de décharges de plasma de type NRP (en anglaisNanosecond Repetitively Pulsed) est étudié. Les systèmes de turbines à gaz modernes utilisent en effet une combustion pauvre dans le but de réduire la consommation de carburant et les émissions de polluants. Les flammes pauvres sont connues pour être sujettes à des instabilités et le contrôle de la combustion peut jouer un rôle majeur dans ce domaine. Un modèle phénoménologique qui considère les décharges de plasma comme une source de chaleur est développé et appliqué à un brûleur pauvre avec prémélange CH4/Air stabilisé par un swirler. LesSGE sont réalisées afin d’évaluer les effets des décharges NRP sur la flamme. Les résultats numériques sont comparés aux observations expérimentales faites à la King Abdulla University ofScience and Technology (Arabie Saoudite)
Interactions between flames and thermal phenomena are the guiding thread of this work. Flamesproduce heat indeed, but can also be affected by it. Large Eddy Simulations (LES) are used hereto investigate these interactions, with a focus on two main topics: wall heat transfer andcombustion control. In a first part, wall heat transfer in a rocket engine sub-scale CH4/O2 burner isstudied. In the context of launchers re-usability and cost reduction, which are major challenges,new propellant combinations are considered and wall heat fluxes have to be precisely predicted.The aim of this work is to evaluate LES needs and performances to simulate this kind ofconfiguration and provide a computational methodology permitting to simulate variousconfigurations. Numerical results are compared to experimental data provided by the TechnischeUniversität München (Germany). In a second part, combustion control by means of NanosecondRepetitively Pulsed (NRP) plasma discharges is studied. Modern gas turbine systems use indeedlean combustion with the aim of reducing fuel consumption and pollutant emissions. Lean flamesare however known to be prone to instabilities and combustion control can play a major role in thisdomain. A phenomenological model which considers the plasma discharges as a heat source isdeveloped and applied to a swirl-stabilized CH4/Air premixed lean burner. LES are performed inorder to evaluate the effects of the NRP discharges on the flame. Numerical results are comparedwith experimental observations made at the King Abdulla University of Science and Technology(Saudi Arabia)

Cette thèse concerne l’étude expérimentale des décharges couronne positives à la pression atmosphérique générées dans un réacteur de laboratoire de type pointe – plan alimenté en régime de tension continue et pulsée. La nature et les caractéristiques de la décharge couronne, notamment dans son régime de « breakdown streamer », sont étudiées en fonction du régime et de l’amplitude de l’alimentation de tension, du rayon de courbure de la pointe, de la distance inter – électrodes ou encore de la composition du mélange gazeux en faisant varier les proportions de N2, de O2 et de CO2. La dynamique et la morphologie des ondes d’ionisation sont finement étudiées à l’aide de diagnostics d’imagerie rapide (ICCD Streak caméras) et de mesures instantanées de courant et de tension (oscilloscope rapide) sur des échelles de temps de quelques centaines de nanosecondes. Les dimensions du réacteur ont été adaptées à la capacité des modèles à le simuler et les premiers résultats de comparaison des courbes instantanées de courant issues des modèles et de l’expérience sont présentés dans le but ultérieure d’estimer la nature et la densité des radicaux formés durant la phase de décharge d’un réacteur de dépollution par décharge couronne
The present thesis is devoted to the experimental study of atmospheric positive corona discharges generated in a point to plane corona reactor under DC or pulsed high voltage conditions. The corona discharge characteristics, in particular during “breakdown streamer” mode, are studied according to the high voltage supply conditions (DC or pulsed), the point radius curvature, the gap distance or the gas mixture following the variation of the N2, O2 and CO2 concentration. The dynamics and the morphology of the streamers are also studied using fast imaging (ICCD and Streak cameras) and electrical (oscilloscope) diagnostics on time scale lower than hundred of nanosecond. As the corona discharge reactor dimensions are well adapted, some preliminary results show the comparison between experimental and simulated results which allow us in the future to estimate the localization, the density and the nature of the radical species created during the discharge phase of a corona reactor devoted to air pollution control

Sélectionner des traitements de surface pour l’industrie nécessite de prendre en compte :les propriétés à conférer au substrat, la nature et la géométrie de celui-ci et les caractéristiques du milieu extérieur. Certaines combinaisons de ces paramètres rendent difficile la sélection d’un traitement unique, d’où le recours à des multitraitements de surface. Dès lors, se posent les questions suivantes :

- Utiliser des multitraitements de surface peut se faire en scindant les différentes requêtes en sous-ensembles, de manière à ce que chaque traitement réponde à l’un d’eux. Dans quel ordre ces requêtes doivent-elles être introduites par rapport au substrat ?

- Comment sélectionner les traitements de surface répondant à chaque requête individuelle ?

- Comment classer des multitraitements en termes d’adéquation au problème posé ?

Dans ce travail, les première et troisième questions sont abordées, en explorant les requêtes concernant habituellement les dispositifs de moulage de l’aluminium :

- Résistance aux contraintes d’origine thermique.

- Résistance à la corrosion par les métaux fondus.

- Résistance au frottement.

L’analyse de la bibliographie relative aux traitements de surface utilisés dans ces systèmes a été analysée et des « architectures »-types ont été identifiées (chapitre 3). On prévoit, par exemple, un traitement conférant la résistance à la fatigue superficielle, ainsi qu’un revêtement étanche et résistant à l’aluminium fondu. Une barrière thermique est parfois préconisée.

Pour chacune des architectures, des traitements de surface individuels peuvent être sélectionnés. Un « facteur de performance » permettant de classer les solutions par rapport au problème de la fatigue thermique a été construit (chapitre 4) et discuté dans deux situations :

- Lorsqu’un revêtement est présent, et que les contraintes d’origine thermique (différence de dilatation thermique couche-substrat) menacent de le rompre lors de l’immersion dans un milieu corrosif à haute température. Des essais de corrosion dans de l’aluminium fondu ont été réalisés sur un acier revêtu par du nitrure de chrome dopé à l’aluminium, synthétisé par déposition physique en phase vapeur (chapitre 5 – collaboration :Inasmet).

- Lorsque des variations thermiques rapides menacent de rompre le substrat et la (les) couches. Des essais de fatigue thermique ont été réalisés sur de l’acier à outils pour travail à chaud non traité, boruré ou recouvert d’un multitraitements (zircone yttriée / NiCrAlY / boruration / acier). Le revêtement en zircone yttriée a été obtenu par projection par plasma. L’essai de fatigue thermique a été modélisé et le facteur de performance, discuté (chapitre 6).

Au chapitre 7, les architectures-types ont été introduites dans une méthodologie de sélection des multi-traitements de surface, qui a été appliquée dans deux cas :

- Celui des moules de fonderie, devant résister à la fatigue thermique et à la corrosion par l’aluminium fondu. Le facteur de performance a été extrapolé à d’autres situations qu’aux chapitres 5 et 6. Les solutions habituellement proposées pour résoudre ce problème sont retrouvées.

- Celui de deux pièces en acier frottant l’une contre l’autre en présence d’aluminium fondu.

To select surface treatments, one must account for the required functional properties, the substrate features and the solicitations the substrate must endure. Certain combinations of these parameters make it difficult to select a single surface treatment, a reason why several successive treatments are preferred. To select them, one needs to determine:

- How to divide the several requests into groups and how to stack up these groups from the substrate to the outer surface, so that each treatment deals with one specific group of requests/properties.

- How to select individual layers for each group of properties.

- How to rank the multi-treatments in terms of relevance for a given application.

In this work, one tries to answer the first and the third questions, by studying the case of aluminium foundry, in which the industrial devices frequently face the following solicitations:

- Thermal stress (thermal fatigue, thermal expansion mismatch).

- Presence of corrosive molten metal.

- Sliding wear.

In the literature, several “standard” architectures are proposed (chapter 3), like a diffusion layer reducing superficial fatigue plus a corrosion barrier layer. A thermal barrier coating is also sometimes proposed.

For each of these architectures, one can select individual treatments. To rank them, one devised a “performance index” for thermal stress (chap.4), which is discussed for two cases:

- For large differences between layer and substrate thermal expansion coefficients, when both are put into contact with a high temperature corrosive medium, the layer may be damaged. One discusses this case by examining the corrosion caused by molten aluminium for a steel substrate coated by anticorrosive chromium nitride doped with aluminium. The layer is produced by physical vapour deposition (chap. 5 – cooperation: Inasmet).

- Repeated fast surface temperature transients can also damage the substrate and/or the layer by thermal fatigue. One conducted thermal fatigue tests with samples of hot work tool steel, respectively untreated, simply borided and protected by a multilayer. In the last case, top coat is yttria stabilised zirconia, followed by a nickel superalloy and then a borided layer (undercoat). One synthesized the zirconia coating by plasma spray and one modelled the thermal fatigue (chap. 6).

In chap. 7, architectures from chap. 2 are introduced in a multi-treatment selection routine, which is applied in two cases:

- Foundry moulds for molten aluminium, withstanding both thermal fatigue and corrosion. The devised performance index is extrapolated beyond the tests of chap. 5 and 6 to treatments for this industrial application, thereby quantifying their respective merits.

- A foundry device exposed to molten metal and sliding wear.

Doctorat en Sciences de l'ingénieur
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Le contexte de cette thèse couvre les dispositifs photoniques hybrides III-V sur silicium. L’étude porte sur l’intégration par collage de matériau à base d'InP sur le silicium, puis la conception d’un guide optique comportant une nanostructuration qui permettra la sélection en longueur d’onde dans un laser DFB hybride. Enfin, on étudie les étapes technologiques de fabrication d’un laser hybride injecté électriquement fonctionnant dans le domaine spectral 1.55µm, et on caractérise les dispositifs. Pour associer les matériaux III-V sur Si, nous avons développé le collage sans couche intermédiaire que l’on nomme collage hétéroépitaxial ou oxide-free. Ce collage est reporté dans la littérature comme présentant une meilleure qualité électrique. Nous avons établi les conditions de préparation permettant d’obtenir des surfaces parfaitement désoxydées, et les conditions de recuit conduisant à une interface hybride sans oxyde et sans dislocation. Mais ce recuit est réalisé à température assez élevée (~450-500°C). Nous avons alors développé le collage avec une fine couche intermédiaire d’oxyde réalisé à plus faible température -300°C- qui présente l'avantage d'être compatible avec la technologie CMOS. Nous avons étudié différentes approches pour élaborer et activer une couche d’oxyde très fine (~3nm), de façon à obtenir une surface collée sans zones localement non collées. Le collage est dans les deux cas réalisé sous vide dans un équipement de type Bonder Suss SB6e. La qualité structurale de l’interface a été observée par STEM et la qualité mécanique du joint de collage a été caractérisée par indentation. Une méthode originale de mesure quantitative et locale de l’énergie du joint de collage a été développée. La qualité optique des couches collées a été étudiée par la mesure de la photoluminescence de puits quantiques placés proches du joint d’interface. En conséquence du collage sans couche intermédiaire ou avec une couche très fine, le design du mode optique est de type double-cœur, qui ne nécessite pas de taper. Le guide optique Si est de type shallow ridge, le confinement latéral étant assuré par un matériau nanostructuré à une période sub-longueur d’onde. Ce matériau fonctionne comme un matériau effectif uniaxe pour lequel on a calculé les indices optiques ordinaire et extraordinaire selon la géométrie de la nanostructuration. On peut rajouter sur cette nanostructuration une super-périodicité qui conduit à un fonctionnement sélectif en longueur d’onde. Le comportement modal du guide est simulé à l'aide du logiciel COMSOL Multiphysics, le comportement spectral est simulé par FTDT 3D. Nous avons validé la pertinence de ce design en mesurant la transmission de guides hybrides. Ce design sera inclus dans un laser et permettra d’obtenir une émission monofréquence de type DFB. Nous avons développé les étapes technologiques nécessaires à la fabrication d’un laser hybride à base d'InP sur Silicium fonctionnant en injection électrique. Nous avons mis en oeuvre de nombreuses techniques, et développé plusieurs procédés spécifiques, en particulier, des procédés de gravure sèche de type Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE pour la gravure de la nanostructuration dans le silicium, et pour la gravure du mésa du laser. La présence des 2 matériaux III-V et Si dans le dispositif hybride rend ces étapes complexes. Les premiers résultats peuvent être améliorés en optimisant la technologie des contacts. Un design permettant de s’affranchir de la pénalité thermique présenté par tous les dispositifs ayant les 2 contacts électriques du coté du matériau III-V a été proposé, exploitant le passage du courant à l’interface hybride III-V / Si, ce qui est possible dans le cas du collage oxide-free. Cette approche ouvre des perspectives d’intégration au-delà de la photonique
This work contributes to the general context of III-V materials on Silicon hybrid devices for optical integrated functions, mainly emission/amplification at 1.55µm. Devices are considered for operation under electrical injection, reaching performances relevant for data transfer application. The main three contributions of this work concern: (i) bonding InP-based materials on Si, (ii) nanostructuration of the Si guiding layer for spatial and spectral control of the guided mode and (iii) technology of an hybrid electrically injected laser, with a special attention to the thermal budget. Bonding has been investigated following two approaches. The first one we call heterohepitaxial or oxide-free bonding, is performed without any intermediate layer at a temperature ~450°C. This approach has the great advantage allowing electrical transport across the interface, as reported in the literature. We have developed oxide-free surface preparation for both materials, mainly InP-based layers, and established bonding parameter processing. An in-depth STEM and RX structural characterization has demonstrated an oxide-free reconstructed interface without any dislocation except on one or two atomic layers which accommodate the large lattice mismatch (8.1%) between InP and Si. Photoluminescence of quantum wells intentionally grown close to the interface has shown no degradation. We have also developed an oxide-based bonding process operated at 300°C in order to be compatible with CMOS processing. The original ozone activation of the very thin (~5nm) oxide layer we have proposed demonstrates a bonding surface without any unbonded area due to degassing under annealing. We have developed an original method based on nanoindentation characterization in order to obtain a quantitative and local value of the surface bonding energy. Related to the absence or to the very thin intermediate layer between the two materials, our modal design is based on a double core structure, where most of the optical mode is confined in the Si guiding layer, and no taper is required. The Si waveguide on top of the SOI stack is a shallow ridge. A nanostructured material on both sides of the waveguide core ensures the lateral confinement, the nanostructuration geometry being at a sub-wavelength period in order to operate this material well below its photonic gap. It behaves as an uniaxial material with ordinary and extraordinary indices calculated according to the structuration geometry. Such a structuration allows modal and spectral control of the guided mode. 3D modal and spectral simulation have been performed. We have demonstrated, on a double-period structuration, a wavelength selective operation of hybrid optical waveguides. Such a double-period geometry could be included in a laser design for DFB operation. This nanostructuration has larger potential application such as coupled waveguides arrays or selective resonators. We have developed all the technological processing steps for an electrically injected hybrid laser fabrication. Main developments concern dry etching, performed with the Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching ICP-RIE technique of both the nanostructuration of the Silicon material, and the mesa of the hybrid laser. Efficient electrical contacts fabrication is also a complex step. First lasers operating performances could be improved. We have investigated a specific design in order to overcome the thermal penalty encountered by all the hybrid devices. This penalty is due to the thick buried oxide layer of the SOI stack that prevents heating related to the current flow to be dissipated. Taking advantage of the electrical transport we have shown at the oxide-free interface, we propose a design where the n-contact is defined on the guiding Si layer, suppressing thermal heating under electrical operation. Such an approach is very promising for densely packed hybrid devices integrated with associated electronic driving elements on Si

In India, the expansion of industries and two-fold increase in motor vehicles over the last decade are posing a serious environmental crisis in the form of urban air pollution. Common pollutants include carbon monoxide, sulfur dioxide, chlorofluorocarbons (CFCs), and nitrogen oxides produced by industry and motor vehicles. Air pollution results from a variety of sources. The natural sources include volcanoes, forest fire, scattering soil, biological decay, lightning strikes, dust storms etc. and man-made sources include thermal power plants, vehicular exhausts, incinerators and various other industrial emissions. More than 60% of the air pollution is contributed by these man-made sources. Amongst the gaseous pollutants, the major concern and a challenging task is to control oxides of nitrogen, commonly referred to as NOx. In case of diesel engines, despite the modification in engine design and improvement in after treatment technologies, large amount of NOx continues is get emitted and attempts to develop new catalyst to reduce NOx have so far been less successful. Further, with the emission standards becoming more stringent, estimates are that NOx and particulate matter emission must be reduced by as much as 90%. In this context, the emergence of electrical discharge plasma technique in combination with the few existing technologies is providing to be economically viable and efficient technology. In this thesis emphasis has been laid on the discharge based non-thermal plasma for NOx removal. NOx from simulated gas mixture and actual diesel engine exhaust has been treated. The thesis mainly addresses the following issues. . • Performance evaluation of pipe-cylinder and wire-cylinder reactor for NOx removal . • Study of effect of plasma assisted adsorbent reactor on NOx removal . • Study of effect of adsorption and plasma based desorption using different adsorbent material and electrode configuration The first chapter provides introduction about the air pollutants and the existing NOx control technologies, a brief history of electric discharge plasma, a detailed literature survey and scope of the work. A detailed experimental setup consisting of voltage sources, gas system (simulated flue gas and diesel exhaust), gas analyzers, adsorbent materials are discussed in the second chapter. In the third chapter, NOx is treated by three different methods and are described in separate parts. In first part we have done a comparative study of NO/NOx removal using two different types of dielectric barrier discharge electrodes: a) wire-cylinder reactor, b) pipe-cylinder reactor. Investigations were first carried out with synthetic gases to obtain the baseline information on the NO/NOx removal with respect to the two geometries studied. Further, experiments were carried out with raw diesel exhaust under loaded condition. A high NOx removal efficiency 90% was observed for pipe-cylinder reactor when compared to that with wire-cylinder reactor, where it was 53.4%. In second part an analysis has been made on discharge plasma coupled with an adsorbent system. The cascaded plasma-adsorbent system may be perceived as a better alternative for the existing adsorbent based abatement system in the industry. During this study the exhaust is sourced from a diesel generator set. It was observed that better NO removal in a plasma reactor can be made possible by achieving higher average fields and subsequent NO2 removal can be improved using an adsorbent system connected in cascade with the plasma system. This part describes the various findings pertaining to these comparative analyses. The third and last part of chapter 3 consists of gas desorption from an adsorbent by non-thermal plasma, which is an alternative to conventional thermal desorption, has been studied in relation to diesel engine exhaust. In this process saturated adsorbent material is regenerated using high energetic electrons and excited molecules produced by non thermal plasma. The last Chapter lists out the major inferences drawn from this study.

Landfill facilities are required to have a barrier system that will limit escape of contaminants to groundwater and surface water for the contaminating lifespan of landfill. Heat generated by the biodegradation of waste and chemical reactions in landfills reduces the service-life of geomembranes by accelerating the ageing process of high-density polyethylene. It may also lead to the desiccation of clay components of the liners. Four considerations with respect to the evaluation of the potential effects of liner temperature on the service-life of liners and the potential control of liner temperature are examined. For the first time, the likely temperature and service-life of a secondary geomembrane in a double composite lining system is predicted. It is shown that, in some cases, the temperature is likely to be high enough to substantially reduce the service-life of the secondary geomembrane. The possible effectiveness of using tire chips as passive thermal insulation between the primary and secondary liners, as well as traditional soil materials, is then explored. For the barrier system and contaminant examined, the results show that tire chips could potentially lower the temperature of the secondary geomembrane sufficiently to significantly extend its service-life. However, the use of tire chips brings about other practical issues, which are also discussed in this study. An active alternative method of controlling the increase in the landfill liner temperature is then examined. This approach, which is inspired by geothermal heat pumps, involves an array of cooling pipes beneath the waste. Numerical modelling showed that the hypotetical introduction of the cooling pipes resulted in a reasonable decrease in liner temperature. It is suggested that the proposed technique warrants further consideration. Finally the conditions that may lead to the desiccation of geosynthetic clay liners used in composite liners due to waste generated heat are examined and recommendations regarding possible means of mitigating the effects of heat on the performance of GCLs are presented. For example, numerical modelling shows that the hydration of GCL prior to waste placement, liner temperature, overburden stress, depth to aquifer and moisture content and grain size of subsoil affect desiccation.
Thesis (Ph.D, Civil Engineering) -- Queen's University, 2011-07-31 07:34:33.165