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The effects of differential diffusion in counter-flow premixed flames with dilution and enrichment
No full textThe continued combustion of fossil fuels to fulfill global energy demand is being questioned because of the well-known problem of greenhouse-gas (GHG) emissions, which introduces new carbon, in the form of carbon dioxide, into the environment causing climate change. However, the inherent advantages of combustion-based engines, e.g., energy and power densities, make it hard for other power systems to compete; hence, a leading strategy is to avoid burning fossil fuels by using alternative renewable fuels, such as hydrogen and renewable biofuels. Adaptability with alternative renewable fuels that have variable compositions is referred to as fuel flexibility, which is an important parameter of next-generation combustor design. However, fuel flexibility significantly affects combustor operability properties, such as blowout, flashback, and dynamic stability, mainly due to variations in turbulent burning rates. Changing the fuel and oxidizing-gas mixture composition affects flame characteristics and burning rates through changing: (1) mixture reactivity, which is represented by unstretched laminar flame speed, and (2) mixture diffusivity, i.e., the diffusivity of the deficient reactant and diffusivity of heat. The disparity between thermal and mass diffusivities at the flame front is known as "differential diffusion", which causes stretch sensitivity, and thermal-diffusive instabilities, in flame-front propagation, and is represented by Lewis number, a ratio of thermal-to-mass diffusivities.This thesis investigates the effects of differential diffusion and stretch sensitivity on propagation, stabilization, and structure of lean turbulent premixed flames in the thin reaction zone regime. In the context of fuel flexibility, various fuels and oxidizer-inert mixtures are used to form mixtures with distinct effective Lewis numbers, through changing both fuel diffusivity and thermal diffusivity of the mixture. In these experiments, the unstretched laminar flame speed is kept constant during mixture dilution, and hydrogen enrichment of hydrocarbon flames, through changing the mixture equivalence ratio, in order to minimize the effects of chemistry. Furthermore, bulk-flow properties and the temperature boundary condition are kept constant; hence, the study highlights the effects of differential diffusion. The experiments are carried out using strained counter-flow flames, in order to study the effects of both components of the flame stretch, i.e., hydrodynamic strain and curvature. Local instantaneous statistics of various flame parameters within the imaged plane are quantified using high-speed particle image velocimetry (PIV) and Mie scattering flame tomography at various levels of turbulence intensity. These statistics include flame location, flame velocity, and flame-front topology, such as flame stretch, flame-front curvature, and flame surface area.The statistics of various parameters of turbulent flames with distinct effective Lewis number show that the effects of differential diffusion on the burning rates and the structure of turbulent premixed flames are important in highly turbulent flames in the thin reaction zone of combustion. Furthermore, these results are not dependent on the fuel or oxidizing-gas mixture and can be described fully by the effective Lewis number and turbulence intensity. In addition, at constant turbulence intensities, differential diffusion increases the burning rate of turbulent flames in thermo-diffusively unstable mixtures through two main mechanisms: (1) increasing the local flamelet displacement velocity, and (2) increasing the flame surface area. This thesis shows the need to advance the combustion theory to produce models that can capture the effects of differential diffusion for flames in real-world combustion systems, in order to predict the performance of future fuel-flexible combustors. The experimental results of this thesis provide a valuable dataset for the validation of such theories.L'effet de la combustion des carburants fossiles, nécessaire afin de suffire à la demande mondiale d'énergie, sur le réchauffement planétaire est bien connu. En brûlant, ces derniers émettent du dioxyde de carbone, dans l'atmosphère ce qui entraîne l'effet de serre. Toutefois, ses nombreux avantages, notamment la densité énergétique, font de la combustion un mode de conversion d'énergie difficilement remplaçable. Une solution alternative aux ressources fossiles est l'utilisation de carburants sans carbone, comme l'hydrogène et les biocarburants renouvelables. Dans ce contexte, la capacité des systèmes de combustion de prochaine génération à s'adapter à ces différents carburants, dont la composition peut varier de façon importante, est cruciale. Plus particulièrement, le changement de la célérité de flamme turbulente en fonction du carburant peut causer des problèmes d'opération comme l'extinction, le retour de flamme, ainsi que des instabilités de combustion. La composition du mélange combustible affecte la célérité de flamme turbulente en modifiant (1) la réactivité, qui correspond à la célérité de flamme laminaire, et (2) la diffusivité de la chaleur et du réactif limitant. La disparité entre les flux de diffusion thermique et massique, connue sous l'appellation de diffusivité différentielle, rend la propagation de la flamme sensible à l'étirement local. La diffusivité différentielle est caractérisée par le nombre adimensionnel de Lewis, qui correspond au ratio des diffusitivés thermique et massique du réactif limitant.Cette dissertation étudie les effets de la diffusion différentielle et de l'étirement local sur la propagation, la stabilisation, et la structure de flammes prémélangées, pauvres et turbulentes dans le régime de zones minces de réaction. Différents mélanges de carburants, comburant, et gaz inertes sont assemblés pour modifier les diffusivités thermique et massique et, conséquemment, le nombre de Lewis. Durant les expériences où les concentrations de gaz inertes et d'hydrogène sont variées, la richesse du mélange est ajustée afin de maintenir la célérité de flamme laminaire constante, et ainsi minimiser l'impact de la cinétique chimique sur les résultats. De même, les températures des réactants et du plan de stagnation, et les propriétés de l'écoulement sont gardées constantes pour tous les tests. De cette façon, la présente étude met en lumière les effets de la diffusion différentielle sur la combustion turbulente. Les expériences sont exécutées avec un brûleur à jets à contre-courant, ce qui permet d'étudier les effets des deux composantes de l'étirementde la flamme, soit la contrainte hydrodynamique et la courbure. La vélocimétrie par imagerie de particules haute fréquence ainsi que la tomographie par diffusion de Mie sont employées pourmesurer différentes propriétés de flamme pour une multitude d'intensités de turbulence.Les résultats expérimentaux démontrent que les effets de la diffusion différentielle sont importants pour les flammes hautement turbulentes dans le régime de zones minces de réaction. Les statistiques extraites des résultats bruts sur une plage de nombres de Lewis plus grande qu'observée communément dans les systèmes de combustion ne dépendent pas du type de carburant ou de comburant. Elles sont plutôt complètement déterminées par le nombre de Lewis et l'intensité de turbulence. Aussi, pour une intensité de turbulence constante, la diffusion différentielle accentue la vitesse de combustion des flammes turbulentes dans des mélanges thermo-diffusivement instables de deux façons: (1) en augmentant la célérité locale, et (2) en accroissant la densité de la surface de la flamme. Les résultats expérimentaux présentés dans cette dissertation pourront servir à vérifier la capacité des modèles de combustion turbulente, incluant les effets de la diffusion différentielle, à prédire la propagation des flammes turbulentes dans les simulations de mécanique des fluides numérique
Three essays in labor economics A study of the modern urban labor market in China
No full textThis thesis is composed of three studies that examine three different aspects of the modern urban labor market in China: State-owned Enterprises (SOE) wage premium, employment and labor mobility, and public-sector reforms. The first chapter studies the SOE wage premium in the period 1995-2013. It uses the latest data and methods to estimate the premium. Evidence suggests that SOE wage premium has diminished and become insignificant since late 1990s and estimates in previous research are biased. The second chapter studies the employment and mobility patterns in the period 2010-2014. Evidence reveals significant heterogeneity in employment and mobility outcomes between demographic and educational groups. The last chapter studies the economic consequences of counterfactual public-sector policies. It rationalizes the observed data pattern in a job search framework and quantifies the effects of counterfactual employment and wage policies in public sector on unemployment and labor income distribution in the urban areas. Simulation results suggest that changing public-sector employment rules has a smaller effect on unemployment than changing public-sector wage rules.Cette thèse est composée de trois études portant sur trois aspects différents du marché du travail urbain moderne en Chine: prime salariale aux entreprises d'État, emploi et mobilité de la main-d'œuvre et réformes du secteur public. Le premier chapitre étudie les avantages salariaux des entreprises d'État pour la période 1995-2013. Il utilise les dernières données et méthodes pour estimer la prime. Les preuves suggèrent que les avantages salariaux des entreprises d'État ont diminué et sont devenus insignifiants depuis la fin des années 90, et les estimations des recherches antérieures sont biaisées. Le deuxième chapitre étudie les tendances de l'emploi et de la mobilité sur la période 2010-2014. Les preuves révèlent une hétérogénéité significative des résultats en matière d'emploi et de mobilité entre les groupes démographiques et éducatifs. Le dernier chapitre étudie les conséquences économiques des politiques contrefactuelles du secteur public. Il rationalise le modèle de données observé dans un cadre de recherche d'emploi et quantifie les effets des politiques contrefactuelles sur l'emploi et les salaires dans le secteur public sur le chômage et la répartition du revenu du travail dans les zones urbaines. Les résultats de la simulation suggèrent que la modification des règles d'emploi dans le secteur public a un effet moins marqué sur le chômage que la modification des règles de rémunération dans le secteur public
Oblique drop impacts on superhydrophobic surfaces
No full textIn this thesis, the impact of water droplets on solid surfaces is investigated, with a focus on oblique impacts on superhydrophobic (SHP) surfaces. The findings are relevant to engineering applications such as microfluidics, anti-icing airplane wings, and turbine blades.Previous oblique drop impact studies have typically investigated impacts on a single surface at speeds below 3 m/s, and over a narrow range of oblique impact angles. Therefore, the research space was increased here to establish a broader understanding of the possible outcomes. Drop impact experiments were performed at very high velocities (up to 27 m/s) with surface tilt angles from 0 - 90°, on smooth and rough surfaces composed of either aluminum or PTFE, in order to address the influence of varying roughness and wettability. Using high speed photography, videos of the drop's interaction with the surface were captured and analyzed. In doing so, a new behaviour called stretched rebounding was characterized. In addition, a new model for the splashing threshold of oblique drop impacts was developed. Based on the model fits, it is concluded that the asymmetry of oblique drop impacts is governed by the surface geometry, such that rougher (and especially SHP) surfaces exhibit more symmetric behaviour. Next, the dynamics of rebounding water drops on SHP surfaces were examined in greater detail. Drop impacts were observed on a femtosecond laser micromachined PTFE superhydrophobic surface, at impact angles ranging from 0 - 70°. The spreading diameter, sliding length, restitution coefficient, and contact time of the drop were measured. It was discovered that both the sliding length and the maximum spreading diameter are greatly affected by partial penetration of the drop into the microstructure of the SHP surface, which causes localized adhesion, slowing the drop's movement and stretching the drop's diameter tangentially. Accordingly, a new model was developed to accurately predict the maximum spreading diameter. To analyze the drop's rebounding trajectory, the restitution coefficient was decoupled into a normal and a tangential component which showed that both the normal and tangential restitution coefficient are governed by entirely separate mechanisms, namely viscous dissipation versus solid-liquid adhesion, but can each be accurately predicted using the dimensionless Weber number. Hence, a new model was developed to predict the overall restitution coefficient of rebounding drops. Regarding the contact time, it was observed that more oblique impacts detached more quickly from the surface. This trend was explained through stretched rebounding behaviour, which has been shown to result in hastened rebounding, but occurs only on SHP surfaces with specific geometries.Dans cette thèse, l'impact de gouttes d'eau est étudié, avec un focus sur les impacts obliques sur les surfaces superhydrophobes (SHP). Les résultats sont pertinents pour des travaux avec les microfluidiques, les ailes d'avion anti-glace et les hélices de turbine. Dans des études précédentes sur les impacts obliques de gouttes, l'impact sur un seul type de surface à des vitesses plus petites que 3 m/s et avec un intervalle restreint d'angles d'impact obliques a été étudié. Par conséquent, la portée de recherche a été élargie dans le but d'établir une plus grande compréhension des résultats possibles. Les experiences d'impact de gouttes ont été réalisées à de très hautes vitesses (jusqu'à 27 m/s) avec des angles d'inclinaison entre 0 et 90°, sur des surfaces lisses et rugueuses composées d'aliminium ou de PTFE, et ce, dans le but de comprendre l'influence de différentes rugosités et mouillabilités. Des vidéos des interactions d'une goutte avec la surface ont été capturées et analysées à l'aide d'une camera haute vitesse.Ainsi, un nouveau comportement appelé « rebond étiré » (stretched rebounding) a été caractérisé. De plus, un nouveau modèle pour le seuil d'éclaboussures a été développé pour prédire le comportement de l'impact oblique de gouttes. Ce modèle indique que l'asymétrie des impacts obliques de gouttes est régie par la structure géométrique de la surface, faisant en sorte que des surfaces plus rugueuses (et surtout SHP) causent un comportement plus symétrique.Ensuite, la dynamique du rebond des gouttes d'eau sur des surfaces SHP a été étudiée plus en détails. L'impact de gouttes, à des angles d'inclinaison variant entre 0 et 70°, a été observé sur une surface SHP fabriquée à l'aide d'un laser femtoseconde. Le diamètre de diffusion, la longueur de glissement, le coefficient de restitution ainsi que le temps de contact ont été mesurés.Il a été découvert que la longueur de glissement et le diamètre maximal de diffusion sont grandement influencés par la pénétration partielle de la goutte dans la microstructure de la surface SHP, ce qui cause une adhésion localisée, qui ralentit le mouvement de la goutte et qui étire tangentiellement le diamètre de la goutte. De ce fait, un nouveau modèle a été développé pour prédire correctement le diamètre maximal de diffusion. Afin d'analyser la trajectoire de rebond de la goutte, le coefficient de restitution a été dissocié en composantes normale et tangentielle. Par conséquent, les coefficients sont régis par des mécanismes distincts, soit la dissipation visqueuse pour le premier et l'adhésion Ceci a démontré que les coefficients normal et tangentiel sont régis par des mécanismes entièrement différents, plus spécifiquement la dissipation visqueuse et l'adhésion solide-liquide pour le deuxième. Toutefois, les deux coefficients peuvent être prédits correctement grâce au nombre de Weber. Un nouveau modèle a donc été développé pour prédire le coefficient de restitution global de gouttes rebondissantes.En ce qui concerne le temps de contact, il a été observé que les gouttes à impact plus oblique se détachent plus rapidement de la surface. Cette relation s'explique grâce à un comportement de rebond étiré, résultant en un rebond accéléré, mais qui se produit seulement sur des surfaces SHP ayant des géométries particulières
Comparing the effects of mental and embodied perspective-taking on prejudice and empathy
No full textPrejudice, the preconceived negatively biased opinion against outgroups, represents a central concern that can lead to discrimination and violence. It is thus important to explore, compare, and validate old and new strategies alike to reduce prejudice and increase empathy. Although we know perspective-taking lowers prejudice, it remains unclear whether any specific technique of perspective-taking works best. To address this gap in knowledge, 90 participants randomly assigned to one of three perspective-taking conditions completed measures of explicit race bias (symbolic racism), implicit race bias, and empathy. The embodied perspective-taking group experienced illusory embodiment of the body of a Black confederate using virtual reality equipment (i.e., to "see through another's eyes"). The mental perspective-taking group imagined a day in the life of a Black individual, while the control group imagined a day in their own life. In this pre-registered study, we compared groups using multiple regressions with planned contrasts. The perspective-taking interventions did not differentially affect symbolic racism or implicit race bias; however, participants in the embodied perspective-taking group scored higher on some sub-components of empathy (empathic concern, personal distress, and peripheral responsivity). Participants in both perspective-taking groups also reported feeling about 1.5 times closer to a Black confederate than those in the control group. Overall, these strategies do not appear to effectively reduce race bias, but they may help improve intergroup relations by increasing empathy. More research will enable the identification of the most effective interventions to foster prosocial intergroup behaviours.Les préjugés représentent une préoccupation centrale pouvant mener à la discrimination et la violence. Il est donc important d'explorer, de comparer et de valider d'anciennes et de nouvelles stratégies pour réduire les préjugés et augmenter l'empathie. Bien que nous sachions que la prise de perspective peut réduire les préjugés, le type qui fonctionne le mieux reste à déterminer. Pour adresser ce manque de connaissances, 90 participants aléatoirement assigné à un de trois groupes de prise de perspective ont complété des mesures de racisme symbolique, de biais raciaux implicites et d'empathie. Le groupe de prise de perspective incarnée a expérimenté une incarnation illusoire du corps d'un complice noir grâce à de l'équipement de réalité virtuelle (c.-à-d. pour « voir à travers les yeux de l'autre »). Les participants du groupe de prise de perspective mentale ont imaginé une journée dans la vie d'une personne noire, tandis que ceux du groupe contrôle ont imaginé une journée dans leur propre vie. Dans cette étude préenregistrée, nous avons comparé les groupes à l'aide de régressions multiples avec contrastes planifiés. Les interventions de prise de perspective n'ont pas affecté le racisme symbolique ou les biais raciaux implicites; néanmoins, les participants du groupe de prise de perspective incarnée ont obtenu de plus hauts scores dans certaines sous-composantes de l'empathie (préoccupation empathique, détresse personnelle et sensibilité périphérique). Les participants des deux groupes de prise de perspective se sont également sentis environ 1,5 fois plus proches d'un complice noir que ceux du groupe contrôle. Dans l'ensemble, ces stratégies ne semblent pas réduire les biais raciaux efficacement, mais elles pourraient aider à améliorer les relations intergroupes. Davantage de recherche permettra l'identification des interventions les plus efficaces afin de favoriser les comportements intergroupes prosociaux
Better protection from influenza in the elderly with a plant-derived virus-like particle vaccine: novel approaches in an aged mouse model
No full textInfluenza virus infections are a major public health threat and worldwide epidemics cause 3-5 million cases of severe illness and 250,000-500,000 deaths every year, including 300-600 fatal cases in Canada. Influenza-associated complications and deaths mainly occur in the elderly. Adults >65 years of age often have age-associated immune defects (immunosenescence) that partly explain their poor response to available influenza vaccines. The efficacy of even the vaccines recommended for the elderly is far from optimal. It is therefore important to develop new vaccines that can provide better protection for this vulnerable population. Many studies suggest that vaccines based on virus-like-particles (VLPs) can stimulate both cellular and humoral responses compared to the detergent-split, inactivated influenza vaccines (IIV) that elicit primarily a humoral response. Medicago Inc. (Quebec, QC) has developed a candidate influenza vaccine based on plant-made VLPs expressing the hemagglutinin (HA) proteins of influenza viruses on their surface. Nothing was known about how this vaccine would act in the elderly but older subjects likely rely more on cellular than humoral immunity for protection. After developing an aged mouse model for vaccination and challenge, our first goal was to characterize the immune response and protection levels of one dose of the VLP candidate compared to IIV in young (6-8 weeks) and healthy aged mice (16-20 months of age). We demonstrated that the old mice were better protected with the VLP candidate compared to IIV despite low/absent anti-HA antibody titres. To make our mouse model more relevant to the elderly, we aged the mice close to the end of their natural life-span and assessed the immunogenicity of the VLPs (versus IIV) in the presence of natural occurring comorbidities. Again, we demonstrated that the VLP candidate was superior to IIV and that those with fewer comorbidities tended to mount a more robust immune response. Because VLPs have the flexibility to be given at different anatomical sites, we explored different routes and schedules of administration of the VLP candidate vaccine and showed that some of these alternate vaccination strategies could strongly influence both the magnitude and the pattern of the immune response in the aged mice. Delivery of the VLP by intramuscular (IM) and intranasal (IN) simultaneously led to better protection and a more balanced cellular and humoral response. To further characterize the effectiveness of these alternate vaccination strategies, we developed a frailty assessment based on 29 parameters and applied it in our aged mouse model after vaccination and challenge. We found that the animals given simultaneous IM+IN vaccination had the lowest increases in frailty after infection compared to other strategies and IIV. Overall these studies demonstrate that the plant-derived VLP vaccines can elicit a balanced immune response in aged mice and provide better protection against influenza challenge both in terms of frailty and survival. These observations strongly suggest that both the superior flexibility and immunogenicity of the VLP vaccine may confer an advantage in the elderly.Les infections grippales causées par les virus influenza représentent un problème majeur en santé publique. Ces infections causent 3-5 millions de cas sévères chaque année et sont responsables de 250 000-500 000 morts à travers le monde, dont 300-600 au Canada. Les personnes âgées de plus de 65 ans sont particulièrement sensibles aux complications médicales associées à ces infections. Une diminution de la réponse immunitaire s'observe généralement chez les ainés (immunosenescence), ce qui pourrait en partie expliquer leur moins bonne réponse aux vaccins antigrippaux et l'efficacité limitée de ceux-ci chez les personnes âgées. Il est donc important de développer des nouveaux vaccins mieux adaptés à cette population vulnérable. Plusieurs études indiquent que les vaccins antigrippaux à base de particules pseudo-virales (PPV) stimulent tant la réponse immunitaire humorale que cellulaire, alors que les vaccins 'traditionnels' à virions fragmentés tendent surtout à produire une réponse humorale. Medicago Inc. a développé un candidat vaccin contre la grippe à base de PPV exprimant l'hémagglutinine virale (HA) à leur surface. Notre premier but était d'évaluer la réponse immunitaire et les niveaux de protection suite à l'administration d'une seule dose de ce vaccin PPV et de les comparer avec un vaccin à virions fragmentés. Notre but était également de comparer la réponse immunitaire et la protection chez les souris jeunes avec celles observées chez les souris âgées. Nous avons donc dû développer un modèle de souris âgées pour la première fois au Centre Universitaire de Santé McGill. Nous avons découvert que le vaccin PPV procurait une meilleure protection des souris âgées comparativement au vaccin à virions fragmentés; et ce même avec peu voire aucun anticorps contre HA. Pour mimer un modèle humain âgé, nous avons maintenu les souris dans nos installations jusqu'à un âge proche de leur fin de vie. Nous avons évalué l'immunogénicité des PPV en comparaison avec le vaccin à virions fragmentés sur ces souris atteintes de comorbidités naturelles. Nous avons découvert que généralement les PPV assuraient une meilleure réponse, particulièrement chez les souris avec moins de comorbidités. Afin d'encore améliorer la réponse immunitaire chez les souris âgées, nous avons exploré différentes voies d'administration des PPV. La voie d'administration des vaccins influence significativement l'amplitude et le type de réponse immunitaire, particulièrement chez les individus âgés. L'administration intramusculaire (IM) suivie directement par l'administration intranasale (IN) procuraient une meilleure protection ainsi qu'une réponse cellulaire et humorale plus équilibrées. Pour examiner plus profondément l'efficacité des vaccins et des voies d'administration, nous avons évalué les changements de la vulnérabilité et de la 'fragilisation' chez souris âgées après immunisation et infection. Nous avons découvert que celles immunisées IM/IN versus la voie conventionnelle (IM) étaient en meilleure condition (basé sur l'examen de 29 paramètres) après l'infection. En général, ces études démontrent que les PPV sont supérieures aux vaccins conventionnels à virions fragmentés dans un modèle de souris âgées
Time resolved electrostatic force microscopy measurements of ionic transport
No full textThe present thesis is a collection of scientific articles published or submitted by the author during the period from 2015-2018 as part of Ph.D. research conducted at McGill University. Each of these articles explores an aspect of performing quantitative measurements using atomic force microscopy. The first chapter introduces the motivation for the work, explains the basic workings of a lithium ion battery and the challenges faced in developing better batteries, and concludes by exploring a variety of atomic force microscopy-based techniques and how they have been and will be used to study battery materials. The remaining chapters are presented in a coherent order instead of chronologically for cohesiveness. The second chapter demonstrates the use of time-domain electrostatic force microscopy to probe ionic transport on lithium iron phosphate, a material currently used in some commercial batteries. Ionic transport in solids is known to follow a stretched exponential response in the time domain, which is observed in the direct time-domain measurements performed on lithium iron phosphate. Previous theoretical descriptions of ionic trans- port in solids have concluded that the stretching factor in this stretched exponential response contains information regarding the collective motion of the ions (e.g. ion-ion interactions). By performing these measurements on a small region of a sample that was directly characterized using a variety of other techniques, the measurements were related to theoretical calculations obtained using density functional theory. These measurements demonstrate that large phase-boundary hopping barriers are the limiting factor for ionic transport, while the hopping barriers for ions in the bulk are significantly lower. These insights were made possible by the improved time resolution of the time-domain technique by implementation of a real-time averaging system. This represents a key finding in the understanding of ionic transport and a demonstration of the power of localized dynamic measurements enabled by the atomic force microscope.In the third chapter, the time resolution limits for time-domain electrostatic force microscopy are explored. A new technique is proposed and its much improved time resolution is demonstrated via a validation measurement on a metallic sample. Its limitations and application of this technique to ionic transport are then discussed in detail. Three other recently developed techniques that use voltage pulses to measure time-resolved sample responses are then explored in detail, along with their challenges and applicability to ionic transport measurements. The fourth chapter then discusses the challenges in calibrating the spring constant of atomic force microscopy cantilevers. Accurate measurements of the cantilever spring constant are required to perform quantitative force measurements using atomic force microscopy. Cantilever spring constants are typically done by measuring the small oscillations of the cantilever due to thermal energy and analyzing them in the frequency domain. We show that this can be greatly affected by ambient acoustic noise. A proto- col to calibrate the spring constants while precluding the effect of acoustic noise is then demonstrated by actively driving the cantilever; specifically by performing frequency sweeps and ringdown measurements.La présente thèse est un recueil d'articles scientifiques publiées ou soumises par l'auteur au cours de la période 2015-2018 dans le cadre des recherches du troisième cycle menées à l'Université McGill. Chacun de ces articles étudie un aspect de la réalisation de mesures quantitatives à l'aide de la microscopie à force atomique (AFM). Le début du premier chapitre présente la motivation du travail. La suite explique le fonctionnement de base d'un accumulateur aux ions lithium et les défis rencontrés pour développer de meilleures batteries. On le chapitre conclut en explorant diverses techniques basées sur la AFM et leur utilisation pour étudier les matériaux de l'accumulateur. Les chapitres restants sont présentés dans un ordre cohérent mais pas nécessairement chronologique pour des raisons de cohésion. Le deuxième chapitre montre l'utilisation de la microscopie à force électrostatique (EFM) dans le domaine temporel pour étudier le transport ionique du lithium fer phosphate, un matériel utilisé actuellement dans certaines batteries commerciales. On sait que le transport ionique dans les solides suit une réponse exponentielle étendue dans le domaine temporel, qui est observée par les mesures directes dans le domaine temporel effectuées sur du lithium fer phosphate. Les descriptions théoriques du transport ionique dans les solides des récentes publications ont conclu que le facteur d'étirement dans la réponse exponentielle étendue contient des informations sur le mouvement collectif des ions (par ex. les interactions ion-ion). En effectuant ces mesures sur une petite région d'un échantillon qui a été directement caractérisé à l'aide d'une variété d'autres techniques, les mesures ont été associées à des calculs théoriques obtenus à l'aide de la théorie de la densité fonctionnelle. Ces mesures démontrent que les grandes barrières de saut en limite de phase constituent le facteur limitant pour le transport ionique, alors que les barrières de saut pour les ions en volume sont nettement plus faibles. Ces connaissances ont été rendues possibles par l'amélioration de la résolution temporelle de la technique du domaine temporel par la mise en oeuvre d'un système de calcul de la moyenne en temps réel. Ceci représente une découverte clé dans la compréhension du transport ionique et une démonstration de la puissance des mesures dynamiques localisées rendues possibles par le AFM. Dans le troisième chapitre, on explore les limites de résolution temporelle pour la EFM dans le domaine temporel. On propose une nouvelle technique tout en démontrant sa résolution temporelle nettement améliorée via une mesure de validation sur un échantillon métallique. Ensuite, les limites et l'application de cette technique au transport ionique sont discutées en détail. De plus, trois autres techniques récemment développées qui utilisent des impulsions de tension pour mesurer les réponses des échantillons résolus dans le temps sont explorées en détail, ainsi que leurs difficultés et leur applicabilité aux mesures de transport ionique.Le quatrième chapitre aborde les problèmes posés par la calibration de la constante de ressort des apex nanométriques situés sur la pointe du levier présent dans les AFMs. Ces mesures précises de la constante de ressort des apex sont nécessaires pour effectuer des mesures de force quantitatives à l'aide de la AFM. Ces constantes de ressort sont généralement réalisées en mesurant les petites oscillations de l'apex dues à l'énergie thermique et en les analysant dans le domaine fréquentiel. On démontre que cela peut être grandement affecté par le bruit acoustique ambiant. Ensuite, un protocole permettant de calibrer les constantes de ressort tout en éliminant l'effet du bruit acoustique est démontré en actionnant activement l'apex du levier; en particulier en effectuant des balayages de fréquence et des mesures optiques
Computational exploration of rare-earth pyrochlore oxides for thermal barrier coating (TBC)
No full textThermal barrier coatings (TBCs) are materials applied on the surfaces of superalloys of gas-turbine engines to insulating the metallic components from the hot gas stream. TBCs can sustain an appreciable thermal gradient to enable operation of gas-turbine engines at gas temperatures significantly higher than the melting temperature of the superalloy, and thereby improves engine efficiency. The current material of choice for the topcoat of TBC is prevailingly 7 wt.% yttria stabilized zirconia (7YSZ) because it possesses a set of properties that are desirable for the operation conditions of gas-turbine engines. However, the application of 7YSZ is bottlenecked by its thermal conductivity (i.e., ~2 Wm-1K-1) and new compounds with lower thermal conductivities must be sought to further enhance the engine performance. Rare-earth (RE) pyrochlore zirconia has been demonstrated to exhibit lower inherent thermal conductivities than 7YSZ, thus considered as potential new line of materials for the topcoat. However, current research efforts on RE pyrochlore zirconia are predominantly relied on trial-and-error based experimentation, providing little information on the underlying structure-property relationships and thus no reliable guidance for further exploration of the phase space of RE pyrochlore oxides. With the exponential growth in computing power and increasing capabilities in simulation techniques, computational modeling has fostered a paradigm shift in materials development. It can avoid the undesirable trial-and-error, enable systematic investigation, and accelerate quick screening of material systems. In this regard, we develop a computational route to enable accurate predictions of the key thermophysical properties (e.g., thermal conductivity, coefficient of thermal expansion) of the RE pyrochlore oxides on the bases of first-principles calculations, to provide predictive tools to identify structure-property relationships from the fundamental level, and to accelerate and rationalize the discovery of promising TBC topcoat materials. The thesis is manuscript-based containing four inherently connected articles (Chapters 4-7) already published in referred journals or ready to be published, covering illustration of the structural origin of the low thermal conductivity of the pyrochlore oxides (Chapter 4), methods to predict the coefficients of thermal expansion for the pyrochlore oxides (Chapter 5), strategy to improve the predictions for the pyrochlore oxides containing transition-metal elements (Chapter 6), and complete computational route to evaluate the doping effect on thermal conductivities of complex ceramic oxides (Chapter 7). These studies offer insights of physics into seeking potential materials with extremely low thermal conductivity, and more generally, new knowledge and modeling tools for research in thermal conductivity and coefficient of thermal expansion of complex oxides.Les revêtements de barrière thermique (TBC) sont des matériaux appliqués sur les surfaces de superalliages de moteurs à turbine à gaz pour isoler les composants métalliques du flux de gaz chaud. Les TBC peuvent supporter un gradient thermique appréciable pour permettre le fonctionnement de moteurs à turbine à gaz à des températures de gaz nettement supérieures à la température de fusion du superalliage, ce qui améliore le rendement du moteur. Le matériau actuel de choix pour la couche de finition du TBC est principalement de la zircone stabilisée à 7 wt.% en poids d'yttria (7YSZ) car il possède un ensemble de propriétés souhaitables pour les conditions de fonctionnement des moteurs à turbine à gaz. Cependant, l'application de 7YSZ est gênée par sa conductivité thermique (~2 Wm-1K-1) et de nouveaux composants doivent être recherchés pour améliorer les performances du moteur.Il a été démontré que la zircone pyrochlore des terres rares (RE) exposé contient des conductivités thermiques inhérentes inférieures à 7YSZ, et était donc considérée comme une nouvelle gamme potentielle de matériaux pour la couche de finition. Cependant, les efforts de recherche actuels sur le zircone RE pyrochlore reposent principalement sur des expérimentations basées sur des essais et des erreurs, fournissant peu d'informations sur les relations structure-propriété sous-jacentes et donc aucune indication fiable pour une exploration plus approfondie de l'espace de phase des oxydes de RE pyrochlore. Avec la croissance exponentielle de la puissance de calcul et les capacités croissantes des techniques de simulation, la modélisation informatique a changé le paradigme dans le développement des matériaux. elle permet d'éviter les tâtonnements indésirables, permettre une enquête systématique et accélérer le criblage rapide des systèmes de matériaux. À cet égard, nous développons une voie de calcul permettant de prédire avec précision les propriétés thermophysiques essentielles (par exemple, conductivité thermique, coefficient de dilatation thermique) des oxydes de pyrochlore RE sur la base de calculs de principes fondamentaux, afin de fournir des outils de prévision permettant d'identifier la structure fondamentale relations de propriété à partir du niveau fondamental, et d'accélérer et de rationaliser la découverte de matériaux de couche de finition prometteurs TBC.La thèse est contient quatre articles intrinsèquement liés (Chapitres 4 à 7) déjà publiés dans des revues référencées ou prêts à être publiés, qui illustrent l'origine structurelle de la faible conductivité thermique des oxydes de pyrochlore (Chapitre 4), des méthodes permettant de: prédire les coefficients de dilatation thermique pour les oxydes de pyrochlore (Chapitre 5), stratégie pour améliorer les prévisions pour les oxydes de pyrochlore contenant des éléments de métaux de transition (Chapitre 6), et voie de calcul complète pour évaluer l'effet de dopage sur la conductivité thermique d'oxydes céramiques complexes (Chapitre 7). Ces études offrent un aperçu de la physique dans la recherche de matériaux potentiels à très basse conductivité thermique et, plus généralement, de nouvelles connaissances et de nouveaux outils de modélisation pour la recherche sur la conductivité thermique et le coefficient de dilatation thermique des oxydes complexes
Geotechnical hazard assessment of road cuts stability in mountainous areas in Saudi Arabia
No full textThe stability of rock slopes is crucial to public safety in highways passing through rock cuts. Slope instability and failures occur due to many factors such as adverse slop geometries, geological discontinuities, weak or weathered slope materials as well as severe weather conditions. External loads like heavy precipitation and earthquakes could play a significant role in slope failure. In this thesis, several rock mass classification systems for rock slope stability assessment were critically evaluated against known rock slope conditions in the south western region of Saudi Arabia. Selected empirical methods were applied to 22 rock cuts, and the stability conditions were identified. The results obtained from these methods were compared to each other and served to highlight the limitations of each empirical classification system.A probabilistic stability analysis approach is then developed. The stability condition of a jointed rock slope in one of the selected rock cuts taken from the previously chosen 22 rock cuts was assessed using deterministic and probabilistic approaches, under both dry and wet conditions. The stability analysis was carried out using FLAC3D to generate a 3-dimensional model, and bedding is simulated with a ubiquitous joint model, to determine the influence of the dominant, unfavorable bedding orientation with respect to the slope face. The deterministic analysis was implemented first using the mean values of the selected random variables, namely the dip, dip direction and friction angle of the dominant discontinuity set, and the stability condition was assessed. A Box-Behnken design (BBD) approach is then adopted to create the surface response function, as a second order polynomial for the factor of safety. To do so, fifteen FLAC3D models were generated in accordance with BBD. Based on this, 10,000 simulations of different slope realizations were carried out using Monte-Carlo simulation technique, and the probability of unsatisfactory of performance of the rock slope was assessed. It is shown that the probabilistic approach provides more insight and confidence in the stability condition of the rock slope, under both dry and steady state heavy rainfall conditions. A new factor, herein defined as the failure intensity factor is introduced to describe the severity of slope failure with respect to the roadway width, to distinguish between rock slopes having the same probability of failure, yet not the same magnitude of failed material. A maximum shear strain criterion is adopted to delineate the volume of sliding material and its effect on the roadway, and 3 levels of the intensity factors – low, moderate and high – are defined. Finally, the intensity factor is used to derive the geotechnical hazard index matrix. A 5-level geotechnical HI matrix is proposed, based on reported recommended levels of low, moderate and high probabilities of failure. The proposed Hazard Index matrix considers both the probability of unsatisfactory of performance of the rock slope and the severity of the slope failure expressed as the intensity factor.La stabilité des pentes rocheuses est essentielle à la sécurité publique dans les autoroutes flanquées de rochers. L'instabilité de la pente et les effondrements de talus sont attribuables à de nombreux facteurs comme la géométrie défavorable des pentes, les discontinuités géologiques, les matériaux de talus mous ou patinés et les conditions météorologiques extrêmes. Les pressions externes comme les fortes précipitations et les tremblements de terre pourraient jouer un rôle important dans les effondrements de talus. Dans cette thèse, plusieurs systèmes de classification de masse rocheuse permettant d'évaluer la stabilité des pentes rocheuses ont fait l'objet d'un examen critique et ont été comparés aux pentes rocheuses connues dans le sud-ouest de l'Arabie saoudite. On a appliqué certaines méthodes empiriques à 22 tranchées rocheuses et identifié les conditions de stabilité. Les résultats obtenus à partir de ces méthodes ont été comparés les uns aux autres et ont permis de souligner les limites de chaque système de classification empirique.Une analyse probabiliste de la stabilité est ensuite mise au point. L'état de stabilité d'un talus rocheux diaclasé dans l'une des tranchées rocheuses sélectionnée à partir des 22 tranchées rocheuses choisies précédemment a été évalué à l'aide d'approches déterministe et probabiliste, dans des conditions sèches et humides. L'analyse de la stabilité a été effectuée à l'aide du logiciel FLAC3D pour produire un modèle en 3 dimensions, et l'assise est simulée à l'aide d'un modèle à joint systématique, afin de déterminer l'influence de l'orientation dominante et défavorable de l'assise sur la face de la pente. L'analyse déterministe a d'abord été effectuée à l'aide des valeurs moyennes des variables aléatoires choisies, à savoir l'inclinaison, la direction de l'inclinaison et l'angle de friction de l'ensemble de discontinuité dominant, et l'état de stabilité a été évalué. Une approche de conception « Box-Behnken » (BBD) est ensuite adoptée pour créer la fonction de réponse de surface, en tant que polynôme de deuxième degré pour le facteur de sécurité. Quinze modèles FLAC3D ont donc été générés conformément à l'approche BBD. À partir de ces modèles, on a effectué 10 000 simulations de différentes réalisations de pente grâce à la technique de simulation Monte-Carlo, et on a évalué la probabilité de rendement insatisfaisant de la pente rocheuse. Il est démontré que l'approche probabiliste procure une compréhension accrue et une plus grande confiance dans l'état de stabilité de la pente rocheuse, dans des conditions sèches et sous de fortes et constantes précipitations. On introduit un nouveau facteur, défini dans le présent document comme le facteur d'intensité de l'effondrement, afin de décrire la gravité de l'effondrement du talus par rapport à la largeur de la chaussée, et distinguer les pentes rocheuses ayant la même probabilité d'effondrement, mais pas la même magnitude de matériaux défaillants. Un critère de cisaillement maximum est adopté pour délimiter le volume de matériau de glissement et ses effets sur la chaussée, et 3 niveaux de facteurs d'intensité – faibles, modérés et élevés – sont définis. Enfin, le facteur d'intensité est utilisé pour calculer la matrice des indices de risque géotechnique. On propose une matrice d'indices de risque géotechnique à 5 niveaux en fonction des niveaux recommandés de probabilités d'effondrement faibles, modérées et élevées. La matrice des indices de risque proposée tient compte à la fois de la probabilité de rendement insatisfaisant de la pente rocheuse et de la gravité de l'effondrement du talus exprimée en facteur d'intensité
Yellow perch show differences in diet and morphology across reservoirs that vary in winter drawdown extent
No full textWinter drawdown is a common management practice in reservoirs across temperate regions of the globe. Drawdown causes the exposure of littoral shorelines, modifying ecosystem attributes that are critical to the survival of biota. Physical characteristics of the littoral environments are modified with drawdown, which alter the quality of the habitat and potentially affect the functioning of the reservoir ecosystem as a whole. Changes in the littoral zone resources may cause some fish to forage more heavily in the pelagic zone of the reservoir, alter their feeding behaviours, and shift habitat coupling dynamics. We investigated the effects of winter drawdown on yellow perch (Perca flavescens) trophic responses across the littoral-pelagic axis by using carbon and nitrogen stable isotopes and morphometric data. Yellow perch were expected to take on a more pelagic isotopic signature in high drawdown reservoirs due to changes in resource availability. Furthermore, we predicted that this dietary shift would be accompanied by a shift in morphology to a varying environmental structure. To address these predictions, yellow perch and food web end-members were sampled from six reservoirs along a winter drawdown gradient spanning 0.4m to 5.3m. Using Bayesian inference mixing models with carbon and nitrogen stable isotope signatures, we identified that perch diets from low drawdown reservoirs relied more heavily on benthic sources, obtaining at least 40% of their diet from minnows. Minnows, in turn, obtained their food primarily from more benthic sources in low drawdown reservoirs. In comparison, fish from high drawdown reservoirs had a significantly different diet, relying more on low quality pelagic sources such as zooplankton, which comprised over 50% of high drawdown perch diet. Morphometrics analyses also demonstrated that perch have a more streamlined body shape in the low structure, high drawdown environments. Finally, we mapped perch shape and diet into 2D space in order to determine differences in behavioural and niche diversity across different drawdown regimes. Our findings suggest that drawdown can have serious implications for perch population health and may extend to the whole ecosystem due to the high mobility of this predator and the top-down control it may have on regulating lower trophic levels.Le marnage hivernal est une pratique courante de gestion des réservoirs dans les régions tempérées du globe. Il provoque l'exposition des rives littorales, modifiant les attributs essentiels d'un écosystème à la survie des organismes vivants. Lors d'un marnage hivernal extrême, les caractéristiques physiques des environnements littoraux sont modifiées, altérant ainsi la qualité de l'habitat et pouvant également affecter le fonctionnement de l'écosystème du réservoir dans son ensemble. Les changements dans les ressources de la zone littorale peuvent amener certains poissons à se nourrir plus abondamment dans la zone pélagique du réservoir, à modifier leurs comportements de fourrage et à modifier la dynamique de couplage des habitats. Nous avons étudié les effets du marnage hivernal sur les interactions trophiques de la perchaude (Perca flavescens) au long de l'axe littoral-pélagique en utilisant des isotopes stables de carbone (13C) et d'azote (15N), et des données morphométriques. Nous avions prédit que la perchaude aurait une signature isotopique reflétant des sources de carbone pélagiques en raison des changements de disponibilités des ressources dans les réservoirs avec un marnage extrême (>1,5m). De plus, nous avions prédit que ce changement de régime alimentaire serait également accompagné d'un changement de morphologie, et ce, en réponse à une structure environnementale instable. Notre approche pour aborder les problèmes précités impliquait la récolte de proies dont se nourrie la perchaude et l'analyse du réseau trophique dans six réservoirs le long d'un gradient de marnage hivernal s'étendant sur 0,4 m à 5,3 m. À l'aide de modèles d'inférence bayésienne et de signatures d'isotopes stables, nous montrons que le régime alimentaire des perchaudes provenant de réservoirs à faible marnage repose davantage sur les sources benthiques/littorales. En ce sens que, les perchaudes provenant des systèmes à faible marnage obtiennent au moins 40% de leur régime alimentaire par l'ingestion de ménés, ces derniers se nourrissant à leur tour de macroinvertébrés benthiques (~75%). En comparaison, les poissons des réservoirs fortement réglés subissent un changement important de régime alimentaire, le tout reposant davantage sur des sources pélagiques de qualité moindre, telles que les zooplanctons qui constituaient plus de 50% du régime alimentaire des perchaudes dans ces réservoirs. Les analyses morphométriques ont également révélé que les perchaudes avaient une forme de corps plus profilée dans les environnements à structure basse et à marnage élevé. Enfin, nous avons cartographié la morphologie et le régime alimentaire de la perchaude dans un espace deux-dimensions afin de déterminer les changements de diversité comportementale et de niche entre différents régimes de marnage. Nos résultats suggèrent que le marnage peut avoir de graves conséquences sur la santé de la population de perchaudes et pourrait s'étendre à l'ensemble de l'écosystème en raison de la grande mobilité de ce prédateur et du contrôle qu'il peut exercer sur les niveaux trophiques inférieurs
Vulnérabilité et polyphonie dans "Les tranchées" de Fanny Britt, suivi de "Les embuscades"
No full textCe mémoire est séparé en deux volets – critique et d'écriture littéraire. Le premier volet, « Stratégies de la vulnérabilité dans Les tranchées de Fanny Britt », explore la relation entre le texte de Britt et le genre de l'essai. Souvenirs, poésies, récits, conversations : la forme brève et hétéroclite des Tranchées – Maternité, ambiguité et féminisme, en fragments (2013), à l'image de la collection « Documents » de la maison d'édition Atelier 10, pourrait laisser croire que l'étiquette générique de l'essai ne colle pas bien ou qu'il est encore une fois utilisé comme genre fourre-tout. Ce texte vise à démontrer que Les tranchées est bel et bien un essai et que sa composition honore la tradition instituée par Montaigne puisque Britt en fait le lieu d'une autocritique où le doute devient un rapport privilégié au monde. Qui plus est, Britt déploie deux dispositifs originaux, soit un ethos et une énonciation vulnérables et une polyphonie non métaphorique, dispositifs que nous analysons notamment à l'aide des travaux de Ruth Amossy, de Dominique Maingueneau et des théories de la polyphonie, d'Oswald Ducrot à Galia Yanoshevsky en passant par Jacqueline Authier-Revuz. Cette étude examine comment et à quel point Les tranchées s'approprient la tradition de l'essai pour y actualiser de nouvelles formes mieux capables de saisir et de penser le contemporain.Le deuxième volet a pour titre Les embuscades. Il s'agit d'un texte littéraire qui s'inspire non seulement de la forme hétéroclite des Tranchées mais également des dispositifs déployés par Britt afin de réfléchir au désenchantement universitaire. Par le biais d'anecdotes, de poésie et de conversations, ce texte tente de dépasser les mythes nous ayant menés jusqu'à l'université, les autres illusions que nous entretenons – pour le meilleur ou pour le pire – et comment en triompher.This master's thesis is divided into two sections–critical analysis and creative writing. The first section, "Stratégies de la vulnérabilité dans Les tranchées de Fanny Britt", explores the relationship between Britt's text and the genre of the essay. Memories, poetry, stories and conversations: the short and ecclectic composition of Les tranchées – Maternité, ambiguité et féminisme, en fragments (2013), like much of Atelier 10's "Documents" collection, makes the reader wonder whether the generic label of "essay" fits. This study argues in favour of the statement that it does indeed fit and that Les tranchées honours a tradition dating back to Montaigne, being the site of a self-critical introspection where doubt becomes a way of interacting with the world. Furthermore, Britt develops two original literary devices, vunerability as ethos and a non metaphorical polyphony. We reference the works of Ruth Amossy and of Dominique Maingueneau as well as different theories of polyphony, from Oswald Ducrot to Jacqueline Authier-Revuz and to Galia Yanoshevsky in our analysis of these devices. This study seeks to determine how and to what extent Les tranchées stakes a claim to the genre and tradition of the essay which it revitalizes with new forms better able to grasp the contemporary.The second section is titled Les embuscades. This literary text draws inspiration not only from the eclectic form of Les tranchées but also from the devices developed by Britt in order to reflect on academic disenchantment. Through anecdotes, poetry and conversations, this text will try to go beyond the myths that lead us to university, other illusions that we bear–for better or worse–and how to overcome them