Fine-silt luminescence dating and mineral composition of sediments from the Arctic Ocean

New geochronometers are needed for sediments of the Arctic Ocean spanning at least the last half million years, largely because oxygen-isotope stratigraphy is relatively ineffective in this ocean, and because other dating techniques require significant assumptions about sedimentation rates. Multi-aliquot luminescence sediment-dating procedures were applied to polymineral, fine-silt samples from 9 core-top and 37 deeper samples from 20 cores representing 19 sites across the Arctic Ocean. Most samples have independent age assignments and other known properties (e.g., % coarse fraction, % carbonate, U-Th isotopes). Thick-source alpha-particle counting indicates that for most regions the contribution of measured unsupported 230Th and 231Pa to calculated dose rates is

Influence of particle morphology on nanostructural feature and conducting property in Sm-doped CeO2 sintered body

Doped ceria (CeO2,) compounds are fluorite type oxides, which show oxide ionic conductivity higher than yttria stabilized zirconia (YSZ), in oxidizing atmospheres. As a consequence of this, considerable interest has been shown in application of these materials for 'low (500-650 degreesC)' or 'intermediate (650-800 degreesC)' temperature operation, solid oxide fuel cells (SOFCs). In this study, the authors prepared two kinds of nanosize Sm-doped CeO2 particles with different morphologies: one type was round and the other was elongated. Processing these powders with different morphology produced dense materials with very different ionic conducting properties and different nanoscale microstructures. Since both particles are very fine and well dispersed, sintered bodies with high density (relative density >95% of theoretical) could be prepared using both types of powder particles. The electrical conductivity of sintered bodies prepared from these powders with different starting morphologies was very different. Materials prepared from particles having a round shape were much higher than those produced using powders with an elongated morphology. Measured activation energies of the corresponding sintered samples showed a similar trend; round particles (60 kJ/mol), elongated particles (74 kJ/mol). While X-ray diffraction (XRD) profiles of these sintered materials were identical, diffuse scatter was observed in the back.-round of selected area electron diffraction pattern recorded from both sintered bodies. This indicated an underlying structure that appeared to have been influenced by the processing technology. Detailed observation using high-resolution transmission electron microscopy (HR-TEM) revealed that the size of microdomain with ordering of cations in the sintered body made from round shape particles was much smaller than that of the sintered body made from elongated particles. Accordingly, it is concluded that the morphology of doped CeO2 powders strongly influenced the microdomain size and electrolytic properties in the doped CeO2 sintered body. (C) 2004 Elsevier B.V. All rights reserved.

Sviluppo e Applicazione di Metodologie per l'Ottimizzazione di Sistemi Energetici

La riduzione dei consumi di combustibili fossili e lo sviluppo di tecnologie per il risparmio energetico sono una questione di centrale importanza sia per l’industria che per la ricerca, a causa dei drastici effetti che le emissioni di inquinanti antropogenici stanno avendo sull’ambiente. Mentre un crescente numero di normative e regolamenti vengono emessi per far fronte a questi problemi, la necessità di sviluppare tecnologie a basse emissioni sta guidando la ricerca in numerosi settori industriali. Nonostante la realizzazione di fonti energetiche rinnovabili sia vista come la soluzione più promettente nel lungo periodo, un’efficace e completa integrazione di tali tecnologie risulta ad oggi impraticabile, a causa sia di vincoli tecnici che della vastità della quota di energia prodotta, attualmente soddisfatta da fonti fossili, che le tecnologie alternative dovrebbero andare a coprire. L’ottimizzazione della produzione e della gestione energetica d’altra parte, associata allo sviluppo di tecnologie per la riduzione dei consumi energetici, rappresenta una soluzione adeguata al problema, che può al contempo essere integrata all’interno di orizzonti temporali più brevi. L’obiettivo della presente tesi è quello di investigare, sviluppare ed applicare un insieme di strumenti numerici per ottimizzare la progettazione e la gestione di processi energetici che possa essere usato per ottenere una riduzione dei consumi di combustibile ed un’ottimizzazione dell’efficienza energetica. La metodologia sviluppata si appoggia su un approccio basato sulla modellazione numerica dei sistemi, che sfrutta le capacità predittive, derivanti da una rappresentazione matematica dei processi, per sviluppare delle strategie di ottimizzazione degli stessi, a fronte di condizioni di impiego realistiche. Nello sviluppo di queste procedure, particolare enfasi viene data alla necessità di derivare delle corrette strategie di gestione, che tengano conto delle dinamiche degli impianti analizzati, per poter ottenere le migliori prestazioni durante l’effettiva fase operativa. Durante lo sviluppo della tesi il problema dell’ottimizzazione energetica è stato affrontato in riferimento a tre diverse applicazioni tecnologiche. Nella prima di queste è stato considerato un impianto multi-fonte per la soddisfazione della domanda energetica di un edificio ad uso commerciale. Poiché tale sistema utilizza una serie di molteplici tecnologie per la produzione dell’energia termica ed elettrica richiesta dalle utenze, è necessario identificare la corretta strategia di ripartizione dei carichi, in grado di garantire la massima efficienza energetica dell’impianto. Basandosi su un modello semplificato dell’impianto, il problema è stato risolto applicando un algoritmo di Programmazione Dinamica deterministico, e i risultati ottenuti sono stati comparati con quelli derivanti dall’adozione di una più semplice strategia a regole, provando in tal modo i vantaggi connessi all’adozione di una strategia di controllo ottimale. Nella seconda applicazione è stata investigata la progettazione di una soluzione ibrida per il recupero energetico da uno scavatore idraulico. Poiché diversi layout tecnologici per implementare questa soluzione possono essere concepiti e l’introduzione di componenti aggiuntivi necessita di un corretto dimensionamento, è necessario lo sviluppo di una metodologia che permetta di valutare le massime prestazioni ottenibili da ognuna di tali soluzioni alternative. Il confronto fra i diversi layout è stato perciò condotto sulla base delle prestazioni energetiche del macchinario durante un ciclo di scavo standardizzato, stimate grazie all’ausilio di un dettagliato modello dell’impianto. Poiché l’aggiunta di dispositivi per il recupero energetico introduce gradi di libertà addizionali nel sistema, è stato inoltre necessario determinare la strategia di controllo ottimale dei medesimi, al fine di poter valutare le massime prestazioni ottenibili da ciascun layout. Tale problema è stato di nuovo risolto grazie all’ausilio di un algoritmo di Programmazione Dinamica, che sfrutta un modello semplificato del sistema, ideato per lo scopo. Una volta che le prestazioni ottimali per ogni soluzione progettuale sono state determinate, è stato possibile effettuare un equo confronto fra le diverse alternative. Nella terza ed ultima applicazione è stato analizzato un impianto a ciclo Rankine organico (ORC) per il recupero di cascami termici dai gas di scarico di autovetture. Nonostante gli impianti ORC siano potenzialmente in grado di produrre rilevanti incrementi nel risparmio di combustibile di un veicolo, è necessario per il loro corretto funzionamento lo sviluppo di complesse strategie di controllo, che siano in grado di far fronte alla variabilità della fonte di calore per il processo; inoltre, contemporaneamente alla massimizzazione dei risparmi di combustibile, il sistema deve essere mantenuto in condizioni di funzionamento sicure. Per far fronte al problema, un robusto ed efficace modello dell’impianto è stato realizzato, basandosi sulla Moving Boundary Methodology, per la simulazione delle dinamiche di cambio di fase del fluido organico e la stima delle prestazioni dell’impianto. Tale modello è stato in seguito utilizzato per progettare un controllore predittivo (MPC) in grado di stimare i parametri di controllo ottimali per la gestione del sistema durante il funzionamento transitorio. Per la soluzione del corrispondente problema di ottimizzazione dinamica non lineare, un algoritmo basato sulla Particle Swarm Optimization è stato sviluppato. I risultati ottenuti con l’adozione di tale controllore sono stati confrontati con quelli ottenibili da un classico controllore proporzionale integrale (PI), mostrando nuovamente i vantaggi, da un punto di vista energetico, derivanti dall’adozione di una strategia di controllo ottima.

Elasto-plastic impact of fine particles and fragmentation of small agglomerates

Surface deposition of dense aerosol particles is of major concern in the nuclear industry for safety assessment. This study presents theoretical investigations and computer simulations of single gas-born U3O8 particles impacting with the in-reactor surface and the fragmentation of small agglomerates. A theoretical model for elasto-plastic spheres has been developed and used to analyse the force-displacement and force-time relationships. The impulse equations, based on Newton's second law, are applied to govern the tangential bouncing behaviour. The theoretical model is then incorporated into the Distinct Element Method code TRUBAL in order to perform computer simulated tests of particle collisions. A comparison of simulated results with both theoretical predictions and experimental measurements is provided. For oblique impacts, the results in terms of the force-displacement relationship, coefficients of restitution, trajectory of the impacting particle, and distribution of kinetic energy and work done during the process of impact are presented. The effects of Poisson's ratio, friction, plastic deformation and initial particle rotation on the bouncing behaviour are also discussed. In the presence of adhesion an elasto-plastic collision model, which is an extension to the JKR theory, is developed. Based on an energy balance equation the critical sticking velocity is obtained. For oblique collisions computer simulated results are used to establish a set of criteria determining whether or not the particle bounces off the target plate. For impact velocities above the critical sticking value, computer simulated results for the coefficients of restitution and rebound angles of the particle are presented. Computer simulations of fracture/fragmentation resulting from agglomerate-wall impact have also been performed, where two randomly generated agglomerates (one monodisperse, the other polydisperse), each consisting of 50 primary particles are used. The effects of impact angle, local structural arrangements close to the impact point, and plastic deformation at the contacts on agglomerate damage are examined. The simulated results show a significant difference in agglomerate strength between the two assemblies. The computer data also shows that agglomerate damage resulting from an oblique impact is determined by the normal velocity component rather than the impact speed.

Preparation of particle-stabilized emulsions using membrane emulsification

There is currently significant interest in particle-stabilized emulsions for a variety of applications and as precursors to other materials such as micro-capsules or colloidosomes. A prerequisite for many applications is the ability to produce stable droplets with a well-controlled size. The preparation of oil-in-water (o/w) emulsions stabilized by silica colloids has been demonstrated here using membrane ulsification techniques. Emulsions were produced using both a cross-flow membrane device and a rotating membrane reactor. Under the correct conditions, highly stable emulsions with very narrow droplet size distributions can be produced. Investigations into the effects of changing the cross-flow shear rate at a fixed droplet production rate illustrate the fine control over mean droplet size that is possible with these emulsification techniques. Evidence for the importance of particle adsorption kinetics onto growing droplets prior to detachment from the membrane surface was obtained by varying the droplet production rate under fixed shear conditions. The presence of a critical surface coverage by the stabilizing particles to prevent droplet coalescence was clearly seen. Comparison with samples produced using conventional high-shear homogenization highlights the improved control over size distribution available from these membrane techniques.

An automatic tuning strategy for local fuzzy logic ramp metering algorithm using Particle Swarm Optimization (PSO)

Freeway systems are becoming more congested each day. One contribution to freeway traffic congestion comprises platoons of on-ramp traffic merging into freeway mainlines. As a relatively low-cost countermeasure to the problem, ramp meters are being deployed in both directions of an 11-mile section of I-95 in Miami-Dade County, Florida. The local Fuzzy Logic (FL) ramp metering algorithm implemented in Seattle, Washington, has been selected for deployment. The FL ramp metering algorithm is powered by the Fuzzy Logic Controller (FLC). The FLC depends on a series of parameters that can significantly alter the behavior of the controller, thus affecting the performance of ramp meters. However, the most suitable values for these parameters are often difficult to determine, as they vary with current traffic conditions. Thus, for optimum performance, the parameter values must be fine-tuned. This research presents a new method of fine tuning the FLC parameters using Particle Swarm Optimization (PSO). PSO attempts to optimize several important parameters of the FLC. The objective function of the optimization model incorporates the METANET macroscopic traffic flow model to minimize delay time, subject to the constraints of reasonable ranges of ramp metering rates and FLC parameters. To further improve the performance, a short-term traffic forecasting module using a discrete Kalman filter was incorporated to predict the downstream freeway mainline occupancy. This helps to detect the presence of downstream bottlenecks. The CORSIM microscopic simulation model was selected as the platform to evaluate the performance of the proposed PSO tuning strategy. The ramp-metering algorithm incorporating the tuning strategy was implemented using CORSIM's run-time extension (RTE) and was tested on the aforementioned I-95 corridor. The performance of the FLC with PSO tuning was compared with the performance of the existing FLC without PSO tuning. The results show that the FLC with PSO tuning outperforms the existing FL metering, fixed-time metering, and existing conditions without metering in terms of total travel time savings, average speed, and system-wide throughput.