Etude et développement de micro-oscillateurs fluidiques pour le refroidissement de systèmes électroniques embarqués

Dans le domaine aéronautique, les contraintes sur le refroidissement sont multiples. L'efficacité d'un système de refroidissement ne se résume plus au simple taux de chaleur dissipée, mais englobe d'autres facteurs comme la compacité, le poids, la robustesse, le coût de maintenance ainsi que la durabilité. Une conception du système de refroidissement qui intègre ces aspects pourrait diminuer les coûts de fonctionnement, notamment la consommation de kérosène, et donc réduire l'impact environnemental du vol. La multiplication de systèmes embarqués dans l'aéronautique amène des contraintes supplémentaires pour leur refroidissement. Dans ce contexte, les actionneurs fluidiques présentent un fort potentiel. Ces travaux portent plus précisément, sur l'utilisation de jets pulsés produits par des oscillateurs fluidiques pour refroidir une surface chauffée. Plusieurs travaux sur les jets d'impact ont montré qu'il était possible d'améliorer la dissipation thermique en introduisant des pulsations dans l'écoulement. Il manque cependant un consensus dans la littérature autour de l'ensemble des conditions opératoires propices à l'amélioration des performances. D'où la nécessité de mener une étude sur l'écoulement produit par ces dispositifs fluidiques et le refroidissement qui en résulte. En amont de cela, il est nécessaire de se pencher sur l'effet de certains paramètres liés à la géométrie du l'oscillateur sur son mode de fonctionnement, en commençant par la caractérisation de l'écoulement pulsé produit par l'oscillateur. AK cette fin, un prototype d'oscillateur est réalisé en fabrication additive puis caractérisé via une reconstruction spatiale 2D et 3D du champ de vitesse à l'aide d'un seul fil-chaud et d'une sonde de pression placée au niveau des canaux de retours. Cette méthode de mesure nous permet de mettre en évidence des structures cohérentes et suivre leur évolution. En marge de cette étude, un réseau de neurones artificiels profond, ayant des fonctions d'activations sinusoïdales atypiques, est utilisé pour créer une représentation implicite du champ de vitesse. L'oscillateur ainsi caractérisé a alors été utilisé pour refroidir une plaque en verre chauffé. Des tests sont pratiqués sur des jets stationnaires et des jets pulsés de même débit massique moyen. Une amélioration considérable des performances est observée pour des faibles distances d'impact et des hautes fréquences de pulsation. Des simulations numériques sont ensuite réalisées en utilisant des méthodes statistiques en un point (dites RANS) et des modèles hybrides LES/RANS. En vue de concevoir un système de refroidissement compact et capable de cibler des composants de tailles submillimétriques, des versions micrométriques de ces mêmes oscillateurs ont été conçues et fabriquées ainsi qu'une instrumentation électronique à même de les caractériser. Rares sont les études menées sur les microjets d'impact alors qu'aucune étude n'a pu être recensée à ce jour sur les microjets d'impact pulsés ni sur les micro-oscillateurs fluidiques gazeux. Le défi est donc double : de montrer que les micro-oscillateurs à gaz peuvent fonctionner à cette échelle et de les utiliser pour refroidir des composants dissipateurs de chaleur. À cela vient s'ajouter un problème non moins ambitieux, celui d'instrumenter l'oscillateur ainsi que la surface d'impact chauffée. Étant donné que la fréquence d'oscillation à cette échelle-là se mesure en kilohertz et que les fluctuations de température sont relativement faibles, des capteurs thermiques à base de couches de polysilicium fortement dopé ont donc été produits. Bien que leur haute sensibilité thermique ait été déjà démontrée, il est question ici d'améliorer leur temps de réponse. Pour ce faire, les capteurs ont été partiellement désolidarisés du substrat en silicium. Cette amélioration de la dynamique du capteur a été obtenue au prix d'une structure fragilisée qu'il a fallu prendre en compte dans les étapes technologiques suivantes.Thermal management in the aerospace industry is subject to a number of constraints. The suitability of a cooling system does not only depend on the heat flux that it can evacuate, but also includes such aspects as compactness, weight, sturdiness, cost of maintenance and durability. Taking these factors into consideration contributes to reducing fuel consumption, thus reducing the carbon footprint of the airplane. With this in mind, fluidic actuators were developed for electronics cooling applications on-board airplanes. In other words, the aim is to cool heated surfaces using the periodic unsteady flow produced by no-moving-parts fluidic oscillators. Previous studies had shown the possibility of enhancing jet impingement heat transfer by introducing a periodic perturbation in the flow. Nevertheless, the exact experimental conditions that lead to this improvement remain somewhat inconsistent across different studies. For this reason, this study tackles both the flow features of the pulsed impinging jet as well as their effects on heat transfer. In preparation, the oscillator is characterized by assessing its response to changes in design parameters and experimental conditions. This was followed by a two- and three-dimensional reconstructions of the velocity field outside the device using a hot-wire and a pressure transducer mounted onto one of the feedback loops. Using this technique, it was possible to deduce certain flow characteristics as well as detect and track the evolution of large coherent vortices produced by the pulsed jet. The data from these exhaustive measurements was then used to train a deep neural network that uses sinusoidal activation functions. The result is an implicit representation of the flow that could be useful to designers when the oscillator is only part of a larger system. The oscillators were then used to cool a heated plate whose temperature was measured using an infrared camera. Both steady and pulsed jets were studied for a large range of frequencies, impact distances and flow rates. Remarkable enhancement was observed for small impact distances and high frequencies. Simulations where then performed using both RANS and hybrid LES/RANS approaches. In the second part of this work, a miniaturized version of the oscillator was produced that can efficiently target small electronic components. Impinging microjets have rarely been studied, while little to no works could be found on pulsed microjets of air or no-moving-parts microfluidic oscillators. The goal of the present study is then twofold, to prove that functional microfluidic oscillators with air as working fluid can be produced and that they can efficiently cool a heated surface. From an experimental standpoint, this requires proper instrumentation capable of acquiring measurements at the spatial and temporal scales of the system. For this end, high-sensitivity thermal sensors were implemented inside the microfluidic device as well as on the heated target surface. The current iteration of these sensing elements involves partially suspending them over the substrate on which they were built in order to reduce their thermal inertia. The carefully suspended structures were shown to withstand the subsequent fabrication steps despite undergoing high temperatures and pressures

Factors driving the seasonal and hourly variability of sea-spray aerosol number in the North Atlantic

Four North Atlantic Aerosol and Marine Ecosystems Study (NAAMES) field campaigns from winter 2015 through spring 2018 sampled an extensive set of oceanographic and atmospheric parameters during the annual phytoplankton bloom cycle. This unique dataset provides four seasons of open-ocean observations of wind speed, sea surface temperature (SST), seawater particle attenuation at 660 nm (cp,660, a measure of ocean particulate organic carbon), bacterial production rates, and sea-spray aerosol size distributions and number concentrations (NSSA). The NAAMES measurements show moderate to strong correlations (0.56 \u3c R \u3c 0.70) between NSSA and local wind speeds in the marine boundary layer on hourly timescales, but this relationship weakens in the campaign averages that represent each season, in part because of the reduction in range of wind speed by multiday averaging. NSSA correlates weakly with seawater cp,660 (R = 0.36, P \u3c\u3c 0.01), but the correlation with cp,660, is improved (R = 0.51, P \u3c 0.05) for periods of low wind speeds. In addition, NAAMES measurements provide observational dependence of SSA mode diameter (dm) on SST, with dm increasing to larger sizes at higher SST (R = 0.60, P \u3c\u3c 0.01) on hourly timescales. These results imply that climate models using bimodal SSA parameterizations to wind speed rather than a single SSA mode that varies with SST may overestimate SSA number concentrations (hence cloud condensation nuclei) by a factor of 4 to 7 and may underestimate SSA scattering (hence direct radiative effects) by a factor of 2 to 5, in addition to overpredicting variability in SSA scattering from wind speed by a factor of 5

Assessment of decarbonization possibilities for offshore oil and gas platforms using the EnergyPLAN model

Offshore oil and gas extraction is a high-energy process that produces CO2 and methane, which are released into the atmosphere, as well as chemicals, which are discharged into the sea. The oil and gas industry accounts directly or indirectly for the 42% of the global emissions. In order to play its role in mitigating climate change, the oil and gas industry must reduce emissions of at least 3.4 tons of carbon dioxide equivalent (GtCO2e) annually by 2050 to reduce the current emissions by 90%. Four scenarios for a hypothetical offshore gas platform in the North Adriatic Sea were presented, assessed and compared based on technical, economic and enviornmental performance indicators. The EnergyPLAN model with optimisation routines and simulations was used to evaluate and analyze the introduction of decarbonization technologies and renewables to the offshore gas platform in order to monitor and highlight the efficacy and importance of the integration of renewables and decarbonization technologies to the offshore gas platform. The latest developments in global climate change and carbon dioxide (CO2) emissions indicate that although the share of renewable energy (RE) in the primary energy supply continues to grow, all countries must increase their efforts to decarbonize the energy sector and achieve a net-zero future. The results indicate the benefits of the decarbonization possibilities and technologies going from one scenario to another, as the total CO2-emissions can be reduced by 67% with the high integration of renewables share, smartly connecting the different sectors and the implementation of different decarbonization technologies and productions with many types of storages. The results also established that the cost structure of each scenario is mainly driven by the low marginal cost of renewable technologies along with their high investment costs

Etude et développement de micro-oscillateurs fluidiques pour le refroidissement de systèmes électroniques embarqués

Thermal management in the aerospace industry is subject to a number of constraints. The suitability of a cooling system does not only depend on the heat flux that it can evacuate, but also includes such aspects as compactness, weight, sturdiness, cost of maintenance and durability. Taking these factors into consideration contributes to reducing fuel consumption, thus reducing the carbon footprint of the airplane. With this in mind, fluidic actuators were developed for electronics cooling applications on-board airplanes. In other words, the aim is to cool heated surfaces using the periodic unsteady flow produced by no-moving-parts fluidic oscillators. Previous studies had shown the possibility of enhancing jet impingement heat transfer by introducing a periodic perturbation in the flow. Nevertheless, the exact experimental conditions that lead to this improvement remain somewhat inconsistent across different studies. For this reason, this study tackles both the flow features of the pulsed impinging jet as well as their effects on heat transfer. In preparation, the oscillator is characterized by assessing its response to changes in design parameters and experimental conditions. This was followed by a two- and three-dimensional reconstructions of the velocity field outside the device using a hot-wire and a pressure transducer mounted onto one of the feedback loops. Using this technique, it was possible to deduce certain flow characteristics as well as detect and track the evolution of large coherent vortices produced by the pulsed jet. The data from these exhaustive measurements was then used to train a deep neural network that uses sinusoidal activation functions. The result is an implicit representation of the flow that could be useful to designers when the oscillator is only part of a larger system. The oscillators were then used to cool a heated plate whose temperature was measured using an infrared camera. Both steady and pulsed jets were studied for a large range of frequencies, impact distances and flow rates. Remarkable enhancement was observed for small impact distances and high frequencies. Simulations where then performed using both RANS and hybrid LES/RANS approaches. In the second part of this work, a miniaturized version of the oscillator was produced that can efficiently target small electronic components. Impinging microjets have rarely been studied, while little to no works could be found on pulsed microjets of air or no-moving-parts microfluidic oscillators. The goal of the present study is then twofold, to prove that functional microfluidic oscillators with air as working fluid can be produced and that they can efficiently cool a heated surface. From an experimental standpoint, this requires proper instrumentation capable of acquiring measurements at the spatial and temporal scales of the system. For this end, high-sensitivity thermal sensors were implemented inside the microfluidic device as well as on the heated target surface. The current iteration of these sensing elements involves partially suspending them over the substrate on which they were built in order to reduce their thermal inertia. The carefully suspended structures were shown to withstand the subsequent fabrication steps despite undergoing high temperatures and pressures.Dans le domaine aéronautique, les contraintes sur le refroidissement sont multiples. L'efficacité d'un système de refroidissement ne se résume plus au simple taux de chaleur dissipée, mais englobe d'autres facteurs comme la compacité, le poids, la robustesse, le coût de maintenance ainsi que la durabilité. Une conception du système de refroidissement qui intègre ces aspects pourrait diminuer les coûts de fonctionnement, notamment la consommation de kérosène, et donc réduire l'impact environnemental du vol. La multiplication de systèmes embarqués dans l'aéronautique amène des contraintes supplémentaires pour leur refroidissement. Dans ce contexte, les actionneurs fluidiques présentent un fort potentiel. Ces travaux portent plus précisément, sur l'utilisation de jets pulsés produits par des oscillateurs fluidiques pour refroidir une surface chauffée. Plusieurs travaux sur les jets d'impact ont montré qu'il était possible d'améliorer la dissipation thermique en introduisant des pulsations dans l'écoulement. Il manque cependant un consensus dans la littérature autour de l'ensemble des conditions opératoires propices à l'amélioration des performances. D'où la nécessité de mener une étude sur l'écoulement produit par ces dispositifs fluidiques et le refroidissement qui en résulte. En amont de cela, il est nécessaire de se pencher sur l'effet de certains paramètres liés à la géométrie du l'oscillateur sur son mode de fonctionnement, en commençant par la caractérisation de l'écoulement pulsé produit par l'oscillateur. AK cette fin, un prototype d'oscillateur est réalisé en fabrication additive puis caractérisé via une reconstruction spatiale 2D et 3D du champ de vitesse à l'aide d'un seul fil-chaud et d'une sonde de pression placée au niveau des canaux de retours. Cette méthode de mesure nous permet de mettre en évidence des structures cohérentes et suivre leur évolution. En marge de cette étude, un réseau de neurones artificiels profond, ayant des fonctions d'activations sinusoïdales atypiques, est utilisé pour créer une représentation implicite du champ de vitesse. L'oscillateur ainsi caractérisé a alors été utilisé pour refroidir une plaque en verre chauffé. Des tests sont pratiqués sur des jets stationnaires et des jets pulsés de même débit massique moyen. Une amélioration considérable des performances est observée pour des faibles distances d'impact et des hautes fréquences de pulsation. Des simulations numériques sont ensuite réalisées en utilisant des méthodes statistiques en un point (dites RANS) et des modèles hybrides LES/RANS. En vue de concevoir un système de refroidissement compact et capable de cibler des composants de tailles submillimétriques, des versions micrométriques de ces mêmes oscillateurs ont été conçues et fabriquées ainsi qu'une instrumentation électronique à même de les caractériser. Rares sont les études menées sur les microjets d'impact alors qu'aucune étude n'a pu être recensée à ce jour sur les microjets d'impact pulsés ni sur les micro-oscillateurs fluidiques gazeux. Le défi est donc double : de montrer que les micro-oscillateurs à gaz peuvent fonctionner à cette échelle et de les utiliser pour refroidir des composants dissipateurs de chaleur. À cela vient s'ajouter un problème non moins ambitieux, celui d'instrumenter l'oscillateur ainsi que la surface d'impact chauffée. Étant donné que la fréquence d'oscillation à cette échelle-là se mesure en kilohertz et que les fluctuations de température sont relativement faibles, des capteurs thermiques à base de couches de polysilicium fortement dopé ont donc été produits. Bien que leur haute sensibilité thermique ait été déjà démontrée, il est question ici d'améliorer leur temps de réponse. Pour ce faire, les capteurs ont été partiellement désolidarisés du substrat en silicium. Cette amélioration de la dynamique du capteur a été obtenue au prix d'une structure fragilisée qu'il a fallu prendre en compte dans les étapes technologiques suivantes

Study and develpment of fluidic micro-oscillators for cooling electronic systems

Dans le domaine aéronautique, les contraintes sur le refroidissement sont multiples. L'efficacité d'un système de refroidissement ne se résume plus au simple taux de chaleur dissipée, mais englobe d'autres facteurs comme la compacité, le poids, la robustesse, le coût de maintenance ainsi que la durabilité. Une conception du système de refroidissement qui intègre ces aspects pourrait diminuer les coûts de fonctionnement, notamment la consommation de kérosène, et donc réduire l'impact environnemental du vol. La multiplication de systèmes embarqués dans l'aéronautique amène des contraintes supplémentaires pour leur refroidissement. Dans ce contexte, les actionneurs fluidiques présentent un fort potentiel. Ces travaux portent plus précisément, sur l'utilisation de jets pulsés produits par des oscillateurs fluidiques pour refroidir une surface chauffée. Plusieurs travaux sur les jets d'impact ont montré qu'il était possible d'améliorer la dissipation thermique en introduisant des pulsations dans l'écoulement. Il manque cependant un consensus dans la littérature autour de l'ensemble des conditions opératoires propices à l'amélioration des performances. D'où la nécessité de mener une étude sur l'écoulement produit par ces dispositifs fluidiques et le refroidissement qui en résulte. En amont de cela, il est nécessaire de se pencher sur l'effet de certains paramètres liés à la géométrie du l'oscillateur sur son mode de fonctionnement, en commençant par la caractérisation de l'écoulement pulsé produit par l'oscillateur. AK cette fin, un prototype d'oscillateur est réalisé en fabrication additive puis caractérisé via une reconstruction spatiale 2D et 3D du champ de vitesse à l'aide d'un seul fil-chaud et d'une sonde de pression placée au niveau des canaux de retours. Cette méthode de mesure nous permet de mettre en évidence des structures cohérentes et suivre leur évolution. En marge de cette étude, un réseau de neurones artificiels profond, ayant des fonctions d'activations sinusoïdales atypiques, est utilisé pour créer une représentation implicite du champ de vitesse. L'oscillateur ainsi caractérisé a alors été utilisé pour refroidir une plaque en verre chauffé. Des tests sont pratiqués sur des jets stationnaires et des jets pulsés de même débit massique moyen. Une amélioration considérable des performances est observée pour des faibles distances d'impact et des hautes fréquences de pulsation. Des simulations numériques sont ensuite réalisées en utilisant des méthodes statistiques en un point (dites RANS) et des modèles hybrides LES/RANS. En vue de concevoir un système de refroidissement compact et capable de cibler des composants de tailles submillimétriques, des versions micrométriques de ces mêmes oscillateurs ont été conçues et fabriquées ainsi qu'une instrumentation électronique à même de les caractériser. Rares sont les études menées sur les microjets d'impact alors qu'aucune étude n'a pu être recensée à ce jour sur les microjets d'impact pulsés ni sur les micro-oscillateurs fluidiques gazeux. Le défi est donc double : de montrer que les micro-oscillateurs à gaz peuvent fonctionner à cette échelle et de les utiliser pour refroidir des composants dissipateurs de chaleur. À cela vient s'ajouter un problème non moins ambitieux, celui d'instrumenter l'oscillateur ainsi que la surface d'impact chauffée. Étant donné que la fréquence d'oscillation à cette échelle-là se mesure en kilohertz et que les fluctuations de température sont relativement faibles, des capteurs thermiques à base de couches de polysilicium fortement dopé ont donc été produits. Bien que leur haute sensibilité thermique ait été déjà démontrée, il est question ici d'améliorer leur temps de réponse. Pour ce faire, les capteurs ont été partiellement désolidarisés du substrat en silicium. Cette amélioration de la dynamique du capteur a été obtenue au prix d'une structure fragilisée qu'il a fallu prendre en compte dans les étapes technologiques suivantes.Thermal management in the aerospace industry is subject to a number of constraints. The suitability of a cooling system does not only depend on the heat flux that it can evacuate, but also includes such aspects as compactness, weight, sturdiness, cost of maintenance and durability. Taking these factors into consideration contributes to reducing fuel consumption, thus reducing the carbon footprint of the airplane. With this in mind, fluidic actuators were developed for electronics cooling applications on-board airplanes. In other words, the aim is to cool heated surfaces using the periodic unsteady flow produced by no-moving-parts fluidic oscillators. Previous studies had shown the possibility of enhancing jet impingement heat transfer by introducing a periodic perturbation in the flow. Nevertheless, the exact experimental conditions that lead to this improvement remain somewhat inconsistent across different studies. For this reason, this study tackles both the flow features of the pulsed impinging jet as well as their effects on heat transfer. In preparation, the oscillator is characterized by assessing its response to changes in design parameters and experimental conditions. This was followed by a two- and three-dimensional reconstructions of the velocity field outside the device using a hot-wire and a pressure transducer mounted onto one of the feedback loops. Using this technique, it was possible to deduce certain flow characteristics as well as detect and track the evolution of large coherent vortices produced by the pulsed jet. The data from these exhaustive measurements was then used to train a deep neural network that uses sinusoidal activation functions. The result is an implicit representation of the flow that could be useful to designers when the oscillator is only part of a larger system. The oscillators were then used to cool a heated plate whose temperature was measured using an infrared camera. Both steady and pulsed jets were studied for a large range of frequencies, impact distances and flow rates. Remarkable enhancement was observed for small impact distances and high frequencies. Simulations where then performed using both RANS and hybrid LES/RANS approaches. In the second part of this work, a miniaturized version of the oscillator was produced that can efficiently target small electronic components. Impinging microjets have rarely been studied, while little to no works could be found on pulsed microjets of air or no-moving-parts microfluidic oscillators. The goal of the present study is then twofold, to prove that functional microfluidic oscillators with air as working fluid can be produced and that they can efficiently cool a heated surface. From an experimental standpoint, this requires proper instrumentation capable of acquiring measurements at the spatial and temporal scales of the system. For this end, high-sensitivity thermal sensors were implemented inside the microfluidic device as well as on the heated target surface. The current iteration of these sensing elements involves partially suspending them over the substrate on which they were built in order to reduce their thermal inertia. The carefully suspended structures were shown to withstand the subsequent fabrication steps despite undergoing high temperatures and pressures

Etude et développement de micro-oscillateurs fluidiques pour le refroidissement de systèmes électroniques embarqués

Thermal management in the aerospace industry is subject to a number of constraints. The suitability of a cooling system does not only depend on the heat flux that it can evacuate, but also includes such aspects as compactness, weight, sturdiness, cost of maintenance and durability. Taking these factors into consideration contributes to reducing fuel consumption, thus reducing the carbon footprint of the airplane. With this in mind, fluidic actuators were developed for electronics cooling applications on-board airplanes. In other words, the aim is to cool heated surfaces using the periodic unsteady flow produced by no-moving-parts fluidic oscillators. Previous studies had shown the possibility of enhancing jet impingement heat transfer by introducing a periodic perturbation in the flow. Nevertheless, the exact experimental conditions that lead to this improvement remain somewhat inconsistent across different studies. For this reason, this study tackles both the flow features of the pulsed impinging jet as well as their effects on heat transfer. In preparation, the oscillator is characterized by assessing its response to changes in design parameters and experimental conditions. This was followed by a two- and three-dimensional reconstructions of the velocity field outside the device using a hot-wire and a pressure transducer mounted onto one of the feedback loops. Using this technique, it was possible to deduce certain flow characteristics as well as detect and track the evolution of large coherent vortices produced by the pulsed jet. The data from these exhaustive measurements was then used to train a deep neural network that uses sinusoidal activation functions. The result is an implicit representation of the flow that could be useful to designers when the oscillator is only part of a larger system. The oscillators were then used to cool a heated plate whose temperature was measured using an infrared camera. Both steady and pulsed jets were studied for a large range of frequencies, impact distances and flow rates. Remarkable enhancement was observed for small impact distances and high frequencies. Simulations where then performed using both RANS and hybrid LES/RANS approaches. In the second part of this work, a miniaturized version of the oscillator was produced that can efficiently target small electronic components. Impinging microjets have rarely been studied, while little to no works could be found on pulsed microjets of air or no-moving-parts microfluidic oscillators. The goal of the present study is then twofold, to prove that functional microfluidic oscillators with air as working fluid can be produced and that they can efficiently cool a heated surface. From an experimental standpoint, this requires proper instrumentation capable of acquiring measurements at the spatial and temporal scales of the system. For this end, high-sensitivity thermal sensors were implemented inside the microfluidic device as well as on the heated target surface. The current iteration of these sensing elements involves partially suspending them over the substrate on which they were built in order to reduce their thermal inertia. The carefully suspended structures were shown to withstand the subsequent fabrication steps despite undergoing high temperatures and pressures.Dans le domaine aéronautique, les contraintes sur le refroidissement sont multiples. L'efficacité d'un système de refroidissement ne se résume plus au simple taux de chaleur dissipée, mais englobe d'autres facteurs comme la compacité, le poids, la robustesse, le coût de maintenance ainsi que la durabilité. Une conception du système de refroidissement qui intègre ces aspects pourrait diminuer les coûts de fonctionnement, notamment la consommation de kérosène, et donc réduire l'impact environnemental du vol. La multiplication de systèmes embarqués dans l'aéronautique amène des contraintes supplémentaires pour leur refroidissement. Dans ce contexte, les actionneurs fluidiques présentent un fort potentiel. Ces travaux portent plus précisément, sur l'utilisation de jets pulsés produits par des oscillateurs fluidiques pour refroidir une surface chauffée. Plusieurs travaux sur les jets d'impact ont montré qu'il était possible d'améliorer la dissipation thermique en introduisant des pulsations dans l'écoulement. Il manque cependant un consensus dans la littérature autour de l'ensemble des conditions opératoires propices à l'amélioration des performances. D'où la nécessité de mener une étude sur l'écoulement produit par ces dispositifs fluidiques et le refroidissement qui en résulte. En amont de cela, il est nécessaire de se pencher sur l'effet de certains paramètres liés à la géométrie du l'oscillateur sur son mode de fonctionnement, en commençant par la caractérisation de l'écoulement pulsé produit par l'oscillateur. AK cette fin, un prototype d'oscillateur est réalisé en fabrication additive puis caractérisé via une reconstruction spatiale 2D et 3D du champ de vitesse à l'aide d'un seul fil-chaud et d'une sonde de pression placée au niveau des canaux de retours. Cette méthode de mesure nous permet de mettre en évidence des structures cohérentes et suivre leur évolution. En marge de cette étude, un réseau de neurones artificiels profond, ayant des fonctions d'activations sinusoïdales atypiques, est utilisé pour créer une représentation implicite du champ de vitesse. L'oscillateur ainsi caractérisé a alors été utilisé pour refroidir une plaque en verre chauffé. Des tests sont pratiqués sur des jets stationnaires et des jets pulsés de même débit massique moyen. Une amélioration considérable des performances est observée pour des faibles distances d'impact et des hautes fréquences de pulsation. Des simulations numériques sont ensuite réalisées en utilisant des méthodes statistiques en un point (dites RANS) et des modèles hybrides LES/RANS. En vue de concevoir un système de refroidissement compact et capable de cibler des composants de tailles submillimétriques, des versions micrométriques de ces mêmes oscillateurs ont été conçues et fabriquées ainsi qu'une instrumentation électronique à même de les caractériser. Rares sont les études menées sur les microjets d'impact alors qu'aucune étude n'a pu être recensée à ce jour sur les microjets d'impact pulsés ni sur les micro-oscillateurs fluidiques gazeux. Le défi est donc double : de montrer que les micro-oscillateurs à gaz peuvent fonctionner à cette échelle et de les utiliser pour refroidir des composants dissipateurs de chaleur. À cela vient s'ajouter un problème non moins ambitieux, celui d'instrumenter l'oscillateur ainsi que la surface d'impact chauffée. Étant donné que la fréquence d'oscillation à cette échelle-là se mesure en kilohertz et que les fluctuations de température sont relativement faibles, des capteurs thermiques à base de couches de polysilicium fortement dopé ont donc été produits. Bien que leur haute sensibilité thermique ait été déjà démontrée, il est question ici d'améliorer leur temps de réponse. Pour ce faire, les capteurs ont été partiellement désolidarisés du substrat en silicium. Cette amélioration de la dynamique du capteur a été obtenue au prix d'une structure fragilisée qu'il a fallu prendre en compte dans les étapes technologiques suivantes

Emissions and Climate Impacts of Aerosol Emissions from Cookstoves and Gasoline Direct Injection Vehicles

<p>Anthropogenic gas- and particle-phase emissions affect the climate by absorbing and scattering radiation, and have been linked to adverse health effects. Black carbon (BC), a by-product of incomplete combustion, is the most potent light-absorbing component of atmospheric aerosols, with a top-of-the atmosphere direct radiative forcing estimated to be only second to CO2. However, there is a large uncertainty associated with BC’s total direct and indirect radiative forcings due to uncertain source emissions and optical properties and complex interactions with clouds. In this dissertation we investigate the direct radiative impact of two of the most important sources of BC particles: biofuel combustion and vehicles. Together these sources contribute around 40% of the global atmospheric BC burden. Recently, both of these energy sources are undergoing rapid technology changes, and the climate impacts from the emissions of these newly adopted technologies remain uncertain. We also investigate the role of atmospheric processing on the optical properties and growth rates of particles. This dissertation first assesses the climate impacts of aerosol emissions of two rapidly emerging technologies: improved cookstoves and gasoline direct injection (GDI) vehicles. We performed extensive measurements of gas- and particle emissions and optical properties of emissions from both these sources. Our data suggests that improved rocket cookstoves have, on average, a factor of two lower particulate matter (PM) emissions compared to traditional cookstoves but only a 4% climate benefits associated with their emissions. In contrast, we estimated a 30% climate benefit from switching traditional cookstoves to gasifier ones. Of all the stoves tested, charcoal stoves had the lowest emissions and climate impacts. Our data suggests the widespread deployment of improved cookstoves to replace existing, inefficient, traditional cookstoves will likely result in health and climate co-benefits. Similarly, we estimated that the rapid adoption of GDI vehicles to replace existing port fuel injection (PFI) vehicles will likely result in reduced warming from emissions. This is due to the higher fuel economy of GDI engines; we measured an average CO2 reduction of 57 g/mi, from switching engine technologies. GDI engine emissions had higher PM emissions compared to PFI engines, similar to previous findings. In addition, our data suggests that newer GDI engines have a factor of two lower PM emissions compared to older GDI engines. These improvements in emissions may enable GDI-equipped vehicles to meet the new Federal Tier 3 PM standard of 3.0 mg/mi without gasoline particulate filters (GPF, which would reduce their fuel economy). To better constrain the large uncertainty of radiative forcing associated with cookstove emissions, this dissertation examines emissions and optical properties from several cookstove and fuel combinations. We performed extensive laboratory measurements of the optical properties of fresh cookstove emissions using the newly developed firepower sweep protocol. Current model treatments of the optical properties of cookstove emissions assume: (1) complete internal mixture between BC and non-BC material and (2) absorption properties of organics based on parametrizations developed for biomass burning emissions. These assumptions do not accurately represent optical properties of fresh cookstove emissions. We developed new parametrizations of optical properties (BC-mass absorption cross section (MACBC), absorption angstrom exponent (AAE), and single scattering albedo (SSA)) of aerosol emissions from cookstoves as a function of the BC-to-PM mass ratio. These parametrizations are designed for use in climate models to more rigorously assess the global climate implications from adoption of improved stove technologies. Upon entering the atmosphere aerosol emissions undergo complex chemical transformations. Aerosol optical properties depend on their atmospheric processing which controls the amount of coating the particles accumulate and their lifetime. To assess the effects of coating on the optical properties, we performed targeted experiments using real world, size selected, BC particles emitted from a rocket improved cookstove, and coated with biogenic secondary organic aerosol (SOA) material. These experiments explicitly target to evaluate measurements and modeling using simple formulation like Mie theory. Measurements of MACBC and the mass scattering cross section (MSC) of coated BC particles were in good agreement with Mie predictions when the organic-to-BC mass ratio>5. Scattering (but not absorption) was sensitive to BC fractal-like morphology; Mie theory under-predicted measured scattering of fresh emissions. Our data suggest that Mie theory can be used in climate models to approximate the optical properties of coated BC particles emitted from cookstoves, if the mixing-state of BC particles is known. In this dissertation, we present initial evidence that particle growth rates depend on seed composition and gas-phase supersaturation. Current models do not account for seed-dependent growth rates. We conducted experiments to investigate the growth of diesel and biogenic SOA particles. Both seeds were exposed to the same gas-phase supersaturation, which allows us to accurately retrieve differences in growth rates and decouple the effects of surface activity and accommodation coefficients. We estimated that the accommodation coefficients of condensing material was 10% to 30% lower on the diesel particles compared to the SOA particles. Moreover, we measured larger surface activity of condensing material on the diesel particles, potentially due to less-miscible condensing vapors in the diesel particles compared to the SOA particles. Our data suggest that growth of BC (diesel) particles in the atmosphere is likely slower compared to SOA particles. Accurately representing these processes is important to estimate the lifetime and absorption enhancement from coated BC particles, as they compete with other particles for condensable vapors.</p