Mathematical models for cellular aggregation: the chemotactic instability and clustering formation

In this thesis we present a mathematical formulation of the interaction between microorganisms such as bacteria or amoebae and chemicals, often produced by the organisms themselves. This interaction is called chemotaxis and leads to cellular aggregation. We derive some models to describe chemotaxis. The first is the pioneristic Keller-Segel parabolic-parabolic model and it is derived by two different frameworks: a macroscopic perspective and a microscopic perspective, in which we start with a stochastic differential equation and we perform a mean-field approximation. This parabolic model may be generalized by the introduction of a degenerate diffusion parameter, which depends on the density itself via a power law. Then we derive a model for chemotaxis based on Cattaneo's law of heat propagation with finite speed, which is a hyperbolic model. The last model proposed here is a hydrodynamic model, which takes into account the inertia of the system by a friction force. In the limit of strong friction, the model reduces to the parabolic model, whereas in the limit of weak friction, we recover a hyperbolic model. Finally, we analyze the instability condition, which is the condition that leads to aggregation, and we describe the different kinds of aggregates we may obtain: the parabolic models lead to clusters or peaks whereas the hyperbolic models lead to the formation of network patterns or filaments. Moreover, we discuss the analogy between bacterial colonies and self gravitating systems by comparing the chemotactic collapse and the gravitational collapse (Jeans instability).

Testing of subgrid scale (SGS) models for large-eddy simulation (LES) of turbulent channel flow

Sub-grid scale (SGS) models are required in order to model the influence of the unresolved small scales on the resolved scales in large-eddy simulations (LES), the flow at the smallest scales of turbulence. In the following work two SGS models are presented and deeply analyzed in terms of accuracy through several LESs with different spatial resolutions, i.e. grid spacings. The first part of this thesis focuses on the basic theory of turbulence, the governing equations of fluid dynamics and their adaptation to LES. Furthermore, two important SGS models are presented: one is the Dynamic eddy-viscosity model (DEVM), developed by \cite{germano1991dynamic}, while the other is the Explicit Algebraic SGS model (EASSM), by \cite{marstorp2009explicit}. In addition, some details about the implementation of the EASSM in a Pseudo-Spectral Navier-Stokes code \cite{chevalier2007simson} are presented. The performance of the two aforementioned models will be investigated in the following chapters, by means of LES of a channel flow, with friction Reynolds numbers $Re_\tau=590$ up to $Re_\tau=5200$, with relatively coarse resolutions. Data from each simulation will be compared to baseline DNS data. Results have shown that, in contrast to the DEVM, the EASSM has promising potentials for flow predictions at high friction Reynolds numbers: the higher the friction Reynolds number is the better the EASSM will behave and the worse the performances of the DEVM will be. The better performance of the EASSM is contributed to the ability to capture flow anisotropy at the small scales through a correct formulation for the SGS stresses. Moreover, a considerable reduction in the required computational resources can be achieved using the EASSM compared to DEVM. Therefore, the EASSM combines accuracy and computational efficiency, implying that it has a clear potential for industrial CFD usage.

Mathematical modelling of integrin-like receptors systems

Nel presente lavoro, ho studiato e trovato le soluzioni esatte di un modello matematico applicato ai recettori cellulari della famiglia delle integrine. Nel modello le integrine sono considerate come un sistema a due livelli, attivo e non attivo. Quando le integrine si trovano nello stato inattivo possono diffondere nella membrana, mentre quando si trovano nello stato attivo risultano cristallizzate nella membrana, incapaci di diffondere. La variazione di concentrazione nella superficie cellulare di una sostanza chiamata attivatore dà luogo all’attivazione delle integrine. Inoltre, questi eterodimeri possono legare una molecola inibitrice con funzioni di controllo e regolazione, che chiameremo v, la quale, legandosi al recettore, fa aumentare la produzione della sostanza attizzatrice, che chiameremo u. In questo modo si innesca un meccanismo di retroazione positiva. L’inibitore v regola il meccanismo di produzione di u, ed assume, pertanto, il ruolo di modulatore. Infatti, grazie a questo sistema di fine regolazione il meccanismo di feedback positivo è in grado di autolimitarsi. Si costruisce poi un modello di equazioni differenziali partendo dalle semplici reazioni chimiche coinvolte. Una volta che il sistema di equazioni è impostato, si possono desumere le soluzioni per le concentrazioni dell’inibitore e dell’attivatore per un caso particolare dei parametri. Infine, si può eseguire un test per vedere cosa predice il modello in termini di integrine. Per farlo, ho utilizzato un’attivazione del tipo funzione gradino e l’ho inserita nel sistema, valutando la dinamica dei recettori. Si ottiene in questo modo un risultato in accordo con le previsioni: le integrine legate si trovano soprattutto ai limiti della zona attivata, mentre le integrine libere vengono a mancare nella zona attivata.

Fluid dynamic analysis of trees influence in dispersion of pollutant in urban street canyon

degli elementi vegetali nella dinamica e nella dispersione degli inquinanti nello street canyon urbano. In particolare, è stato analizzata la risposta fluidodinamica di cespugli con altezze diverse e di alberi con porosità e altezza del tronco varianti. Il modello analizzato consiste in due edifici di altezza e larghezza pari ad H e lunghezza di 10H, tra i quali corre una strada in cui sono stati modellizati una sorgente rappresentativa del traffico veicolare e, ai lati, due linee di componenti vegetali. Le simulazioni sono state fatte con ANSYS Fluent, un software di "Computational Fluid Dynamics"(CFD) che ha permesso di modellizare la dinamica dei flussi e di simulare le concentrazioni emesse dalla sorgente di CO posta lungo la strada. Per la simulazione è stato impiegato un modello RANS a chiusura k-epsilon, che permette di parametrizzare i momenti secondi nell'equazione di Navier Stokes per permettere una loro più facile risoluzione. I risultati sono stati espressi in termini di profili di velocità e concentrazione molare di CO, unitamente al calcolo della exchange velocity per quantificare gli scambi tra lo street canyon e l'esterno. Per quanto riguarda l'influenza dell'altezza dei tronchi è stata riscontrata una tendenza non lineare tra di essi e la exchange velocity. Analizzando invece la altezza dei cespugli è stato visto che all'aumentare della loro altezza esiste una relazione univoca con l'abbassamento della exchange velocity. Infine, andando a variare la permeabilità delle chiome degli alberi è stata trovatta una variazione non monotonica che correla la exchange velocity con il parametro C_2, che è stata interpretata attraverso i diversi andamenti dei profili sopravento e sottovento. In conclusione, allo stadio attuale della ricerca presentata in questa tesi, non è ancora possibile correlare direttamente la exchange velocity con alcun parametro analizzato.