The retrieval of structured design rationale for the re-use of design knowledge with an integrated representation

Design knowledge can be acquired from various sources and generally requires an integrated representation for its effective and efficient re-use. Though knowledge about products and processes can illustrate the solutions created (know-what) and the courses of actions (know-how) involved in their creation, the reasoning process (know-why) underlying the solutions and actions is still needed for an integrated representation of design knowledge. Design rationale is an effective way of capturing that missing part, since it records the issues addressed, the options considered, and the arguments used when specific design solutions are created and evaluated. Apart from the need for an integrated representation, effective retrieval methods are also of great importance for the re-use of design knowledge, as the knowledge involved in designing complex products can be huge. Developing methods for the retrieval of design rationale is very useful as part of the effective management of design knowledge, for the following reasons. Firstly, design engineers tend to want to consider issues and solutions before looking at solid models or process specifications in detail. Secondly, design rationale is mainly described using text, which often embodies much relevant design knowledge. Last but not least, design rationale is generally captured by identifying elements and their dependencies, i.e. in a structured way which opens the opportunity for going beyond simple keyword-based searching. In this paper, the management of design rationale for the re-use of design knowledge is presented. The retrieval of design rationale records in particular is discussed in detail. As evidenced in the development and evaluation, the methods proposed are useful for the re-use of design knowledge and can be generalised to be used for the retrieval of other kinds of structured design knowledge. © 2012 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Study of thermal effects in bulk RE-BCO superconductors submitted to a variable magnetic field

When bulk RE-BCO superconductors are used as permanent magnets in engineering applications, they are likely to experience transient variations of the applied magnetic field. The resulting vortex motion may cause a significant temperature increase. As a consequence the initial trapped flux is reduced. In the present work, we first focus on the cause of a temperature increase. The temperature distribution within a superconducting finite cylinder subjected to an alternating magnetic field is theoretically predicted. Results are compared to experimental data obtained by two temperature sensors attached to a bulk YBCO pellet. Second, we consider curative methods for reducing the effect of heat flux on the temperature increase. Hall-probe mappings on YBCO samples maintained out of the thermal equilibrium are performed for two different morphologies : a plain single domain and a single domain with a regularly spaced hole array. The drilled single-domain displays a trapped induction which is weakly affected by the local heating while displaying a high trapped field. © 2006 IOP Publishing Ltd.

Parallel coordinates in computational engineering design

Modern Engineering Design involves the deployment of many computational tools. Re- search on challenging real-world design problems is focused on developing improvements for the engineering design process through the integration and application of advanced com- putational search/optimization and analysis tools. Successful application of these methods generates vast quantities of data on potential optimum designs. To gain maximum value from the optimization process, designers need to visualise and interpret this information leading to better understanding of the complex and multimodal relations between param- eters, objectives and decision-making of multiple and strongly conflicting criteria. Initial work by the authors has identified that the Parallel Coordinates interactive visualisation method has considerable potential in this regard. This methodology involves significant levels of user-interaction, making the engineering designer central to the process, rather than the passive recipient of a deluge of pre-formatted information. In the present work we have applied and demonstrated this methodology in two differ- ent aerodynamic turbomachinery design cases; a detailed 3D shape design for compressor blades, and a preliminary mean-line design for the whole compressor core. The first case comprises 26 design parameters for the parameterisation of the blade geometry, and we analysed the data produced from a three-objective optimization study, thus describing a design space with 29 dimensions. The latter case comprises 45 design parameters and two objective functions, hence developing a design space with 47 dimensions. In both cases the dimensionality can be managed quite easily in Parallel Coordinates space, and most importantly, we are able to identify interesting and crucial aspects of the relationships between the design parameters and optimum level of the objective functions under con- sideration. These findings guide the human designer to find answers to questions that could not even be addressed before. In this way, understanding the design leads to more intelligent decision-making and design space exploration. © 2012 AIAA.

Modelling and comparison of trapped fields in (RE)BCO bulk superconductors for activation using pulsed field magnetization

The ability to generate a permanent, stable magnetic field unsupported by an electromotive force is fundamental to a variety of engineering applications. Bulk high temperature superconducting (HTS) materials can trap magnetic fields of magnitude over ten times higher than the maximum field produced by conventional magnets, which is limited practically to rather less than 2 T. In this paper, two large c-axis oriented, single-grain YBCO and GdBCO bulk superconductors are magnetized by the pulsed field magnetization (PFM) technique at temperatures of 40 and 65 K and the characteristics of the resulting trapped field profile are investigated with a view of magnetizing such samples as trapped field magnets (TFMs) in situ inside a trapped flux-type superconducting electric machine. A comparison is made between the temperatures at which the pulsed magnetic field is applied and the results have strong implications for the optimum operating temperature for TFMs in trapped flux-type superconducting electric machines. The effects of inhomogeneities, which occur during the growth process of single-grain bulk superconductors, on the trapped field and maximum temperature rise in the sample are modelled numerically using a 3D finite-element model based on the H-formulation and implemented in Comsol Multiphysics 4.3a. The results agree qualitatively with the observed experimental results, in that inhomogeneities act to distort the trapped field profile and reduce the magnitude of the trapped field due to localized heating within the sample and preferential movement and pinning of flux lines around the growth section regions (GSRs) and growth sector boundaries (GSBs), respectively. The modelling framework will allow further investigation of various inhomogeneities that arise during the processing of (RE)BCO bulk superconductors, including inhomogeneous Jc distributions and the presence of current-limiting grain boundaries and cracks, and it can be used to assist optimization of processing and PFM techniques for practical bulk superconductor applications. © 2014 IOP Publishing Ltd.

Infrared spectra and VUV excitation properties of BaLnB(9)O(16): Re (Ln = La, Gd; Re = Eu, Tb)

The infrared spectra of BaLnB(9)O(16):Re, along with the VUV excitation spectra, have been measured. The spectra were tentatively interpreted in terms of the data on absorptions of the borate groups and band structure. It was observed that there are absorption due to BO3 and BO4 groups, indicating that there are BO3 and BO4 groups in BaLnB(9)O(16). It is found that absorption of the borate groups is located in the range from 120 to 170 mn. This result reveals that there is an energy transfer from host to the rare earth ions. It also observed that the energy of charge transfer band, the host absorption, the total crystal field splitting of d-levels of Tb3+ increase with the decrease in the Ln(3+) radius. (C) 2001 Elsevier Science B.V. All rights reserved.

3D Analysis of Heat Transfer Intensification by Re-Entrance Flow Pin-Fins Microstructures with a Highly Thermal-Conductive Plate

Joule heat-induced hot-spot formation sets severe limits in the operation of continuous annular electrochromatography (CAEC), a new concept for preparative separation as an analog to analytical capillary electrochromatography (CEC). This may lead to eluent flow perturbance, even to boiling, which would massively weaken separation efficiency and may even hamper the stationary phase used for separation. For reasons of system integration and high-efficiency heat transfer, micro flow heat exchangers are considered with a separate coolant flow. A 3D numerical analysis of the heat transfer of water single-phase laminar flow in a square microchannel and different arrays of micro pin-fins was carried out using COMSOL Multiphysics. Several advanced materials with low electric conductivity and at the same time with high heat conductivity were put forward to be used in the CAEC system. As essential design point, it is proposed to constitute the micro heat exchanger from two different parts of the CAEC system, namely a microstructured pin-fins plate and a so-called conductive plate.

Improving the microbial production of biofuels through metabolic engineering

Les défis conjoints du changement climatique d'origine anthropique et la diminution des réserves de combustibles fossiles sont le moteur de recherche intense pour des sources d'énergie alternatives. Une avenue attrayante est d'utiliser un processus biologique pour produire un biocarburant. Parmi les différentes options en matière de biocarburants, le bio-hydrogène gazeux est un futur vecteur énergétique attrayant en raison de son efficacité potentiellement plus élevé de conversion de puissance utilisable, il est faible en génération inexistante de polluants et de haute densité d'énergie. Cependant, les faibles rendements et taux de production ont été les principaux obstacles à l'application pratique des technologies de bio-hydrogène. Des recherches intensives sur bio-hydrogène sont en cours, et dans les dernières années, plusieurs nouvelles approches ont été proposées et étudiées pour dépasser ces inconvénients. À cette fin, l'objectif principal de cette thèse était d'améliorer le rendement en hydrogène moléculaire avec un accent particulier sur l'ingénierie métabolique et l’utilisation de bioprocédés à variables indépendantes. Une de nos hypothèses était que la production d’hydrogène pourrait être améliorée et rendue plus économiquement viable par ingénierie métabolique de souches d’Escherichia coli producteurs d’hydrogène en utilisant le glucose ainsi que diverses autres sources de carbone, y compris les pentoses. Les effets du pH, de la température et de sources de carbone ont été étudiés. La production maximale d'hydrogène a été obtenue à partir de glucose, à un pH initial de 6.5 et une température de 35°C. Les études de cinétiques de croissance ont montré que la μmax était 0.0495 h-1 avec un Ks de 0.0274 g L-1 lorsque le glucose est la seule source de carbone en milieu minimal M9. .Parmi les nombreux sucres et les dérivés de sucres testés, les rendements les plus élevés d'hydrogène sont avec du fructose, sorbitol et D-glucose; 1.27, 1.46 et 1.51 mol H2 mol-1 de substrat, respectivement. En outre, pour obtenir les interactions entre les variables importantes et pour atteindre une production maximale d'hydrogène, un design 3K factoriel complet Box-Behnken et la méthodologie de réponse de surface (RSM) ont été employées pour la conception expérimentale et l'analyse de la souche d'Escherichia coli DJT135. Le rendement en hydrogène molaire maximale de 1.69 mol H2 mol-1 de glucose a été obtenu dans les conditions optimales de 75 mM de glucose, à 35°C et un pH de 6.5. Ainsi, la RSM avec un design Box-Behken était un outil statistique utile pour atteindre des rendements plus élevés d'hydrogène molaires par des organismes modifiés génétiquement. Ensuite, l'expression hétérologue de l’hydrogénases soluble [Ni-Fe] de Ralstonia eutropha H16 (l'hydrogénase SH) a tenté de démontrer que la mise en place d'une voie capable de dériver l'hydrogène à partir de NADH pourrait surpasser le rendement stoechiométrique en hydrogène.. L’expression a été démontrée par des tests in vitro de l'activité enzymatique. Par ailleurs, l'expression de SH a restaurée la croissance en anaérobie de souches mutantes pour adhE, normalement inhibées en raison de l'incapacité de réoxyder le NADH. La mesure de la production d'hydrogène in vivo a montré que plusieurs souches modifiées métaboliquement sont capables d'utiliser l'hydrogénase SH pour dériver deux moles d’hydrogène par mole de glucose consommé, proche du maximum théorique. Une autre stratégie a montré que le glycérol brut pourrait être converti en hydrogène par photofermentation utilisant Rhodopseudomonas palustris par photofermentation. Les effets de la source d'azote et de différentes concentrations de glycérol brut sur ce processus ont été évalués. À 20 mM de glycérol, 4 mM glutamate, 6.1 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus dans des conditions optimales, un rendement de 87% de la théorie, et significativement plus élevés que ce qui a été réalisé auparavant. En prolongement de cette étude, l'optimisation des paramètres a également été utilisée. Dans des conditions optimales, une intensité lumineuse de 175 W/m2, 30 mM glycérol et 4.5 mM de glutamate, 6.69 mol hydrogène / mole de glycérol brut ont été obtenus, soit un rendement de 96% de la valeur théorique. La détermination de l'activité de la nitrogénase et ses niveaux d'expression ont montré qu'il y avait relativement peu de variation de la quantité de nitrogénase avec le changement des variables alors que l'activité de la nitrogénase variait considérablement, avec une activité maximale (228 nmol de C2H4/ml/min) au point central optimal. Dans la dernière section, la production d'hydrogène à partir du glucose via la photofermentation en une seule étape a été examinée avec la bactérie photosynthétique Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-). La méthodologie de surface de réponse avec Box-Behnken a été utilisée pour optimiser les variables expérimentales de façon indépendante, soit la concentration de glucose, la concentration du glutamate et l'intensité lumineuse, ainsi que d'examiner leurs effets interactifs pour la maximisation du rendement en hydrogène moléculaire. Dans des conditions optimales, avec une intensité lumineuse de 175 W/m2, 35 mM de glucose, et 4.5 mM de glutamate,, un rendement maximal d'hydrogène de 5.5 (± 0.15) mol hydrogène /mol glucose, et un maximum d'activité de la nitrogénase de 246 (± 3.5) nmol C2H4/ml/min ont été obtenus. L'analyse densitométrique de l'expression de la protéine-Fe nitrogenase dans les différentes conditions a montré une variation significative de l'expression protéique avec un maximum au point central optimisé. Même dans des conditions optimales pour la production d'hydrogène, une fraction significative de la protéine Fe a été trouvée dans l'état ADP-ribosylée, suggérant que d'autres améliorations des rendements pourraient être possibles. À cette fin, un mutant amtB dérivé de Rhodobacter capsulatus JP91 (hup-) a été créé en utilisant le vecteur de suicide pSUP202. Les résultats expérimentaux préliminaires montrent que la souche nouvellement conçue métaboliquement, R. capsulatus DG9, produit 8.2 (± 0.06) mol hydrogène / mole de glucose dans des conditions optimales de cultures discontinues (intensité lumineuse, 175 W/m2, 35 mM de glucose et 4.5 mM glutamate). Le statut d'ADP-ribosylation de la nitrogénase-protéine Fe a été obtenu par Western Blot pour la souche R. capsulatus DG9. En bref, la production d'hydrogène est limitée par une barrière métabolique. La principale barrière métabolique est due au manque d'outils moléculaires possibles pour atteindre ou dépasser le rendement stochiométrique en bio-hydrogène depuis les dernières décennies en utilisant les microbes. À cette fin, une nouvelle approche d’ingénierie métabolique semble très prometteuse pour surmonter cette contrainte vers l'industrialisation et s'assurer de la faisabilité de la technologie de la production d'hydrogène. Dans la présente étude, il a été démontré que l’ingénierie métabolique de bactéries anaérobiques facultatives (Escherichia coli) et de bactéries anaérobiques photosynthétiques (Rhodobacter capsulatus et Rhodopseudomonas palustris) peuvent produire de l'hydrogène en tant que produit majeur à travers le mode de fermentation par redirection métabolique vers la production d'énergie potentielle. D'autre part, la méthodologie de surface de réponse utilisée dans cette étude représente un outil potentiel pour optimiser la production d'hydrogène en générant des informations appropriées concernant la corrélation entre les variables et des producteurs de bio-de hydrogène modifiés par ingénierie métabolique. Ainsi, un outil d'optimisation des paramètres représente une nouvelle avenue pour faire un pont entre le laboratoire et la production d'hydrogène à l'échelle industrielle en fournissant un modèle mathématique potentiel pour intensifier la production de bio-hydrogène. Par conséquent, il a été clairement mis en évidence dans ce projet que l'effort combiné de l'ingénierie métabolique et la méthodologie de surface de réponse peut rendre la technologie de production de bio-hydrogène potentiellement possible vers sa commercialisation dans un avenir rapproché.