Progress in numerical modeling of non-premixed combustion

Progress is made on the numerical modeling of both laminar and turbulent non-premixed flames. Instead of solving the transport equations for the numerous species involved in the combustion process, the present study proposes reduced-order combustion models based on local flame structures.

For laminar non-premixed flames, curvature and multi-dimensional diffusion effects are found critical for the accurate prediction of sooting tendencies. A new numerical model based on modified flamelet equations is proposed. Sooting tendencies are calculated numerically using the proposed model for a wide range of species. These first numerically-computed sooting tendencies are in good agreement with experimental data. To further quantify curvature and multi-dimensional effects, a general flamelet formulation is derived mathematically. A budget analysis of the general flamelet equations is performed on an axisymmetric laminar diffusion flame. A new chemistry tabulation method based on the general flamelet formulation is proposed. This new tabulation method is applied to the same flame and demonstrates significant improvement compared to previous techniques.

For turbulent non-premixed flames, a new model to account for chemistry-turbulence interactions is proposed. %It is found that these interactions are not important for radicals and small species, but substantial for aromatic species. The validity of various existing flamelet-based chemistry tabulation methods is examined, and a new linear relaxation model is proposed for aromatic species. The proposed relaxation model is validated against full chemistry calculations. To further quantify the importance of aromatic chemistry-turbulence interactions, Large-Eddy Simulations (LES) have been performed on a turbulent sooting jet flame. %The aforementioned relaxation model is used to provide closure for the chemical source terms of transported aromatic species. The effects of turbulent unsteadiness on soot are highlighted by comparing the LES results with a separate LES using fully-tabulated chemistry. It is shown that turbulent unsteady effects are of critical importance for the accurate prediction of not only the inception locations, but also the magnitude and fluctuations of soot.

Solubility and Diffusivity of Water in Lunar Basalt, and Chemical Zonation in Olivine-Hosted Melt Inclusions

I report the solubility and diffusivity of water in lunar basalt and an iron-free basaltic analogue at 1 atm and 1350 °C. Such parameters are critical for understanding the degassing histories of lunar pyroclastic glasses. Solubility experiments have been conducted over a range of fO₂ conditions from three log units below to five log units above the iron-wüstite buffer (IW) and over a range of pH₂/pH₂O from 0.03 to 24. Quenched experimental glasses were analyzed by Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR) and secondary ionization mass spectrometry (SIMS) and were found to contain up to ~420 ppm water. Results demonstrate that, under the conditions of our experiments: (1) hydroxyl is the only H-bearing species detected by FTIR; (2) the solubility of water is proportional to the square root of pH₂O in the furnace atmosphere and is independent of fO₂ and pH₂/pH₂O; (3) the solubility of water is very similar in both melt compositions; (4) the concentration of H₂ in our iron-free experiments is <3 ppm, even at oxygen fugacities as low as IW-2.3 and pH₂/pH₂O as high as 24; and (5) SIMS analyses of water in iron-rich glasses equilibrated under variable fO₂ conditions can be strongly influenced by matrix effects, even when the concentrations of water in the glasses are low. Our results can be used to constrain the entrapment pressure of the lunar melt inclusions of Hauri et al. (2011).

Diffusion experiments were conducted over a range of fO₂ conditions from IW-2.2 to IW+6.7 and over a range of pH₂/pH₂O from nominally zero to ~10. The water concentrations measured in our quenched experimental glasses by SIMS and FTIR vary from a few ppm to ~430 ppm. Water concentration gradients are well described by models in which the diffusivity of water (D^*_water) is assumed to be constant. The relationship between D^*_water and water concentration is well described by a modified speciation model (Ni et al. 2012) in which both molecular water and hydroxyl are allowed to diffuse. The success of this modified speciation model for describing our results suggests that we have resolved the diffusivity of hydroxyl in basaltic melt for the first time. Best-fit values of D^*_water for our experiments on lunar basalt vary within a factor of ~2 over a range of pH₂/pH₂O from 0.007 to 9.7, a range of fO₂ from IW-2.2 to IW+4.9, and a water concentration range from ~80 ppm to ~280 ppm. The relative insensitivity of our best-fit values of D^*_water to variations in pH₂ suggests that H₂ diffusion was not significant during degassing of the lunar glasses of Saal et al. (2008). D^*_water during dehydration and hydration in H₂/CO₂ gas mixtures are approximately the same, which supports an equilibrium boundary condition for these experiments. However, dehydration experiments into CO₂ and CO/CO₂ gas mixtures leave some scope for the importance of kinetics during dehydration into H-free environments. The value of D^*_water chosen by Saal et al. (2008) for modeling the diffusive degassing of the lunar volcanic glasses is within a factor of three of our measured value in our lunar basaltic melt at 1350 °C.

In Chapter 4 of this thesis, I document significant zonation in major, minor, trace, and volatile elements in naturally glassy olivine-hosted melt inclusions from the Siqueiros Fracture Zone and the Galapagos Islands. Components with a higher concentration in the host olivine than in the melt (MgO, FeO, Cr₂O₃, and MnO) are depleted at the edges of the zoned melt inclusions relative to their centers, whereas except for CaO, H₂O, and F, components with a lower concentration in the host olivine than in the melt (Al₂O₃, SiO₂, Na₂O, K₂O, TiO₂, S, and Cl) are enriched near the melt inclusion edges. This zonation is due to formation of an olivine-depleted boundary layer in the adjacent melt in response to cooling and crystallization of olivine on the walls of the melt inclusions concurrent with diffusive propagation of the boundary layer toward the inclusion center.

Concentration profiles of some components in the melt inclusions exhibit multicomponent diffusion effects such as uphill diffusion (CaO, FeO) or slowing of the diffusion of typically rapidly diffusing components (Na₂O, K₂O) by coupling to slow diffusing components such as SiO₂ and Al₂O₃. Concentrations of H2O and F decrease towards the edges of some of the Siqueiros melt inclusions, suggesting either that these components have been lost from the inclusions into the host olivine late in their cooling histories and/or that these components are exhibiting multicomponent diffusion effects.

A model has been developed of the time-dependent evolution of MgO concentration profiles in melt inclusions due to simultaneous depletion of MgO at the inclusion walls due to olivine growth and diffusion of MgO in the melt inclusions in response to this depletion. Observed concentration profiles were fit to this model to constrain their thermal histories. Cooling rates determined by a single-stage linear cooling model are 150–13,000 °C hr^-1 from the liquidus down to ~1000 °C, consistent with previously determined cooling rates for basaltic glasses; compositional trends with melt inclusion size observed in the Siqueiros melt inclusions are described well by this simple single-stage linear cooling model. Despite the overall success of the modeling of MgO concentration profiles using a single-stage cooling history, MgO concentration profiles in some melt inclusions are better fit by a two-stage cooling history with a slower-cooling first stage followed by a faster-cooling second stage; the inferred total duration of cooling from the liquidus down to ~1000 °C is 40 s to just over one hour.

Based on our observations and models, compositions of zoned melt inclusions (even if measured at the centers of the inclusions) will typically have been diffusively fractionated relative to the initially trapped melt; for such inclusions, the initial composition cannot be simply reconstructed based on olivine-addition calculations, so caution should be exercised in application of such reconstructions to correct for post-entrapment crystallization of olivine on inclusion walls. Off-center analyses of a melt inclusion can also give results significantly fractionated relative to simple olivine crystallization.

All melt inclusions from the Siqueiros and Galapagos sample suites exhibit zoning profiles, and this feature may be nearly universal in glassy, olivine-hosted inclusions. If so, zoning profiles in melt inclusions could be widely useful to constrain late-stage syneruptive processes and as natural diffusion experiments.

Estresse ocupacional segundo o modelo demanda-controle e suas repercussões na saúde do trabalhador de enfermagem: análise das variações de cortisol salivar

O objeto de estudo foi o estresse no trabalho e os níveis de cortisol salivar. O objetivo geral foi avaliar a associação entre estresse no trabalho e variações de cortisol salivar de trabalhadores de Enfermagem inseridos na assistência hospitalar no Rio de Janeiro. A hipótese do estudo foi que existe associação entre trabalhadores expostos à alta exigência no trabalho e as variações de cortisol salivar. Trata-se de estudo epidemiológico observacional analítico seccional, realizado em hospital estadual localizado no Rio de Janeiro com amostra de 103 trabalhadores. Para avaliação dos aspectos psicossociais do trabalho, utilizou-se o questionário Job Content Questionnaire. O cortisol salivar foi medido através da coleta de 04 amostras de cada participante em um dia do plantão: ao acordar, 30 minutos depois, às 12h e 18 h. A coleta de dados foi realizada entre março e abril de 2012. Utilizou-se o programa SPSS 18.0 para análise dos dados. As dimensões demanda psicológica e controle e a subtração foram utilizadas sob a forma contínua nas análises de correlação com as covariáveis e desfecho. Os níveis de cortisol foram quantificados por meio de cinco índices: o cálculo da área sob a curva em relação ao zero ou base (AUCg), área sob a curva em relação ao aumento (AUCi), o aumento médio (MnInc), a excreção do cortisol no período pós acordar (AUCtrab) e a área sob a curva em relação ao zero ou base do ciclo diurno (AUCCD). Para avaliar a associação entre as covariáveis e exposição e desfecho utilizou-se os testes de Mann Whitney e Kruskall-Wallis. As covariáveis associadas à exposição ou ao desfecho com nível de significância de 20% (p≤0,20) foram testadas no modelo de regressão linear. Realizada análise de correlação utilizando-se o coeficiente de correlação de Spearmans. Como resultado encontrou-se que os trabalhadores de Enfermagem obtiveram médias para demanda psicológica e controle que tendem para o limite superior, bem como para a subtração, caracterizando alta demanda e alto controle, ou seja, trabalho ativo. O valor médio de cortisol observado ao acordar, 30 minutos após, 12h e 18h foi de 5,82 nmol/L) (4,86), 16,60 nmol/L ( 8,31), 7,49 nmol/L ( 6,97) e 3,93 nmol/L ( 3,15), respectivamente. O aumento do cortisol entre o acordar e 30 minutos após foi em média de 64%. Já para os índices de cortisol adotados observa-se o valor médio da MnInc, AUCg, AUCi, AUCtrab e AUCCD foi de 10,78 nmol/L (6,99), 5,61 nmol/L ( 2,92) 2,69 nmol/L ( 1,75), 32,51 nmol/L ( 21,99) e 107,99 nmol/L ( 61,63), respectivamente. Este estudo demonstrou que os níveis de cortisol salivar livre não estão associados à alta exigência no trabalho, mesmo quando ajustadas pelas possíveis variáveis de confusão ou modificadoras de efeito. A hipótese do estudo não foi confirmada. Os dados obtidos neste estudo revelaram aspectos importantes dos riscos psicossociais a que estão expostos os trabalhadores de Enfermagem durante o processo de trabalho, oferecendo subsídios para que sejam implementados programas de orientação e promoção à saúde do trabalhador e fornecem um contributo para entender os caminhos biológicos pelos quais o estresse no trabalho influencia a saúde.

Impacto do estilo de vida no controle do peso durante a gestação e pós-parto

O objetivo desta tese é avaliar o impacto do estilo de vida materno no ganho de peso durante a gestação e na sua evolução durante o pós-parto. Inicialmente, foi realizada uma revisão da literatura sobre os indicadores utilizados para computar as mudanças de peso ocorridas durante a gestação e o pós-parto (artigo I). Posteriormente, utilizou-se o modelo de regressão logística para avaliar a associação entre a abstinência ao fumo durante o pré-natal e o ganho de peso gestacional (GPG) excessivo, segundo as recomendações do Institute of Medicine (IOM), em 1.249 mulheres que deram à luz a recém-nascidos vivos a termo em 1984/85 em Estocolmo, Suécia (artigo II). Em seguida, foi utilizado o modelo de regressão linear múltipla para avaliar o efeito do GPG excessivo no índice de massa corporal (IMC) materno 15 anos após o parto. A população elegível para análise foi constituída de 483 mulheres suecas, que foram acompanhadas desde o nascimento da criança índice em 1984/85 até 1999/2000 (artigo III). Por último, uma revisão sistemática com a utilização de metanálise foi realizada para apreciar o efeito da dieta, exercício ou ambos na perda de peso no pós-parto (artigo IV). A diversidade de indicadores utilizada para computar o GPG e a retenção de peso no pós-parto dificulta a interpretação e comparação dos resultados de pesquisas sobre o tema. A baixa qualidade dos registros obstétricos e a escolha inadequada do indicador são consideradas as possíveis causas da não associação entre o ganho de peso materno e os desfechos gestacionais encontrada em alguns estudos (artigo I). Ex-fumantes apresentam 1,8 vezes mais chance de GPG excessivo em relação às mulheres não fumantes, mesmo após o ajuste pelas variáveis de confusão, como o consumo de álcool, atividade física, entre outras (artigo II). Mulheres que tiveram GPG excessivo apresentaram maior retenção de peso 15 anos após parto (10,0 kg) do que as mulheres que ganharam peso conforme os limites recomendados pelo IOM (6,7 kg). Mesmo após o controle pelas variáveis de confusão, o GPG excessivo provocou um aumento significativo de 0,72 kg/m2 no IMC materno (artigo III). Mulheres aconselhadas a praticarem exercícios aeróbicos durante o pós-parto não perderam, significativamente, mais peso que as mulheres alocadas no grupo controle (diferença de média ponderada (DMP): 0,00; IC 95%: -8,63/ 8,63). Mulheres alocadas no grupo dieta (DMP: -1,70; IC 95%: -2,08/ -1,32) ou dieta e exercício (DMP: -2,89; IC 95%: -4,83/ -0,95) perderam, significativamente, mais peso que as mulheres alocadas no grupo controle. Nenhuma das estratégias de intervenção para perda de peso no pós-parto (exercício; dieta; dieta e exercício) provocou efeitos adversos à saúde materno-infantil (artigo IV). Os achados apontam para a importância da identificação precoce de mulheres sob-risco GPG excessivo. Os profissionais de saúde devem fornecer aconselhamento adequado durante o pré-natal para o controle do GPG e motivar as mulheres a perderem o peso retido durante o pós-parto. Assinala-se também que os profissionais de saúde devem recomendar programas de modificação do estilo de vida relacionados à dieta combinada ao exercício físico para perda de peso durante o pós-parto e, consequentemente, para a prevenção da obesidade associada ao ciclo reprodutivo.

Patterns of Impact Resulting from a 'Sit Less, Move More' Web-Based Program in Sedentary Office Employees

Purpose Encouraging office workers to 'sit less and move more' encompasses two public health priorities. However, there is little evidence on the effectiveness of workplace interventions for reducing sitting, even less about the longer term effects of such interventions and still less on dual-focused interventions. This study assessed the short and mid-term impacts of a workplace web-based intervention (Walk@WorkSpain, W@WS; 2010-11) on self-reported sitting time, step counts and physical risk factors (waist circumference, BMI, blood pressure) for chronic disease. Methods Employees at six Spanish university campuses (n=264; 42 +/- 10 years; 171 female) were randomly assigned by worksite and campus to an Intervention (used W@WS; n=129; 87 female) or a Comparison group (maintained normal behavior; n=135; 84 female). This phased, 19-week program aimed to decrease occupational sitting time through increased incidental movement and short walks. A linear mixed model assessed changes in outcome measures between the baseline, ramping (8 weeks), maintenance (11 weeks) and follow-up (two months) phases for Intervention versus Comparison groups. Results A significant 2 (group) x 2 (program phases) interaction was found for self-reported occupational sitting (F[3]=7.97, p=0.046), daily step counts (F[3]=15.68, p=0.0013) and waist circumference (F[3]=11.67, p=0.0086). The Intervention group decreased minutes of daily occupational sitting while also increasing step counts from baseline (446 +/- 126; 8,862 +/- 2,475) through ramping (+425 +/- 120; 9,345 +/- 2,435), maintenance (+422 +/- 123; 9,638 +/- 3,131) and follow-up (+414 +/- 129; 9,786 +/- 3,205). In the Comparison group, compared to baseline (404 +/- 106), sitting time remained unchanged through ramping and maintenance, but decreased at follow-up (-388 +/- 120), while step counts diminished across all phases. The Intervention group significantly reduced waist circumference by 2.1cms from baseline to follow-up while the Comparison group reduced waist circumference by 1.3cms over the same period. Conclusions W@WSis a feasible and effective evidence-based intervention that can be successfully deployed with sedentary employees to elicit sustained changes on "sitting less and moving more".

Gráficos de controle adaptativos para monitoramento de perfis

Processos de produção precisam ser avaliados continuamente para que funcionem de modo mais eficaz e eficiente possível. Um conjunto de ferramentas utilizado para tal finalidade é denominado controle estatístico de processos (CEP). Através de ferramentas do CEP, o monitoramento pode ser realizado periodicamente. A ferramenta mais importante do CEP é o gráfico de controle. Nesta tese, foca-se no monitoramento de uma variável resposta, por meio dos parâmetros ou coeficientes de um modelo de regressão linear simples. Propõe-se gráficos de controle χ2 adaptativos para o monitoramento dos coeficientes do modelo de regressão linear simples. Mais especificamente, são desenvolvidos sete gráficos de controle χ2 adaptativos para o monitoramento de perfis lineares, a saber: gráfico com tamanho de amostra variável; intervalo de amostragem variável; limites de controle e de advertência variáveis; tamanho de amostra e intervalo de amostragem variáveis; tamanho de amostra e limites variáveis; intervalo de amostragem e limites variáveis e por fim, com todos os parâmetros de projeto variáveis. Medidas de desempenho dos gráficos propostos foram obtidas através de propriedades de cadeia de Markov, tanto para a situação zero-state como para a steady-state, verificando-se uma diminuição do tempo médio até um sinal no caso de desvios pequenos a moderados nos coeficientes do modelo de regressão do processo de produção. Os gráficos propostos foram aplicados a um exemplo de um processo de fabricação de semicondutores. Além disso, uma análise de sensibilidade dos mesmos é feita em função de desvios de diferentes magnitudes nos parâmetros do processo, a saber, no intercepto e na inclinação, comparando-se o desempenho entre os gráficos desenvolvidos e também com o gráfico χ2 com parâmetros fixos. Os gráficos propostos nesta tese são adequados para vários tipos de aplicações. Neste trabalho também foi considerado características de qualidade as quais são representadas por um modelo de regressão não-linear. Para o modelo de regressão não-linear considerado, a proposta é utilizar um método que divide o perfil não-linear em partes lineares, mais especificamente, um algoritmo para este fim, proposto na literatura, foi utilizado. Desta forma, foi possível validar a técnica proposta, mostrando que a mesma é robusta no sentido que permite tipos diferentes de perfis não-lineares. Aproxima-se, portanto um perfil não-linear por perfis lineares por partes, o que proporciona o monitoramento de cada perfil linear por gráficos de controle, como os gráficos de controle desenvolvidos nesta tese. Ademais apresenta-se a metodologia de decompor um perfil não-linear em partes lineares de forma detalhada e completa, abrindo espaço para ampla utilização.

Associação entre bebidas adoçadas e consumo calórico em refeições na população brasileira.

Nas últimas décadas, tem sido observado o aumento da oferta de bebidas com elevado conteúdo calórico e com grandes quantidades de açúcar de rápida absorção. Essas bebidas adoçadas, cujo consumo tem aumentado no Brasil assim como em outras partes do mundo, são consideradas fatores de risco para obesidade e diabetes. O consumo de bebidas adoçadas pode levar ao balanço energético positivo e consequentemente ao ganho de peso. Essa associação pode ser explicada pelo mecanismo regulatório de compensação de calorias líquidas. Compensação calórica ocorre quando há redução no consumo de calorias provenientes de alimentos sólidos para compensar as calorias líquidas adicionadas à refeição ou dieta. No entanto, não há consenso em relação a evidências da compensação calórica, dificultando a elaboração de recomendações sobre essas bebidas em saúde pública. Razões para a falta de consenso incluem a diversidade de desenhos de estudos, experimentos realizados em ambientes controlados e não reais em relação ao consumo de alimentos e bebidas, e estudos com amostras pequenas ou de conveniência. Esta dissertação estudou a associação entre bebidas adoçadas e consumo calórico, verificando se calorias de bebidas adoçadas são compensadas em refeições realizadas em um ambiente pragmático. Os dados de consumo calórico de 34.003 indivíduos, com idade igual ou superior a dez anos, foram obtidos pelo Inquérito Nacional de Alimentação 2008-2009, em todo território nacional. Os participantes completaram dois registros alimentares, em dias não consecutivos da mesma semana. Foram selecionadas as refeições dos períodos café da manhã, almoço e jantar de cada indivíduo em cada um dos dias. Para cada refeição, foi calculado o valor calórico de alimentos e de bebidas adoçadas consumidos. Para testar a compensação calórica, um modelo de regressão linear multinível com efeitos mistos foi ajustado para analisar cada período. A variável reposta utilizada foi consumo calórico proveniente de alimentos e a variável explicativa foi consumo calórico de bebida adoçada na refeição. Os efeitos intra-indivíduo da bebida adoçada no consumo calórico foram estimados e interpretados. Esses efeitos são considerados não-enviesados pois são controlados pelas características constantes dos indivíduos, tendo assim o indivíduo atuando como seu próprio controle na análise. Covariadas incluídas no modelo foram variáveis da refeição: local, dia da semana, horário, consumo calórico na refeição anterior e intervalo de tempo desde a última refeição; e do indivíduo: sexo, faixa etária, categoria de Índice de Massa Corpórea e quartos de renda per capita. Efeitos aleatórios dos indivíduos e dos domicílios foram incluídos no modelo para melhor estimar a estrutura de erros de dados correlacionados. A compensação calórica foi de 42% para o café da manhã, não houve compensação no almoço e para o jantar, compensação variou de 0 a 22%, tendo interação com quartos de renda per capita. A conclusão desta dissertação é que as bebidas adoçadas não são completamente compensadas em refeições realizadas em ambiente pragmático. Assim, a redução do consumo de bebidas adoçadas em refeições pode ajudar a diminuir o consumo calórico excessivo e levar a um melhor controle do peso em indivíduos.

Avaliação de modelos de permeabilidade em meios porosos não consolidados

As simulações computacionais tem sido amplamente empregadas no estudo do escoamento darciano e não-darciano em meios porosos consolidados e não-consolidados. Neste trabalho, através de uma nova formulação para a equação de Forchheimer, foram identificadas duas novas propriedades denominados fator de comportamento do fluido, que atua paralelamente a permeabilidade, e permeabilidade equivalente global, resultado da relação anterior. Este comportamento foi estudado e validado através da implementação de um aparato experimental e um código computacional baseado no modelo de regressão-linear que, além disso, demonstrou que o escoamento, ainda que em regime não darciano, comporta-se linearmente como a equação de Darcy, ainda que o coeficiente angular desta diminuiu de acordo com a faixa do número de Reynolds atingida, sendo esta dependente do tipo de leito empregado. Ainda neste trabalho, foi implementado o método de otimização R2W para estimar os parâmetros da equação de Kozeny-Carman a partir de dados experimentais obtidos por Dias et al, a fim de simular o escoamento darciano em meios porosos. Por fim, foi alcançada excelente concordância entre os dados simulados pelo método R2W / equação de Kozeny-Carman e os dados reais.

Semiempirical down-scaling of GCM output to the local scale for temperature, precipitation, and runoff

EXTRACT (SEE PDF FOR FULL ABSTRACT): An empirically derived multiple linear regression model is used to relate a local-scale dependent variable (either temperature, precipitation, or surface runoff) measured at individual gauging stations to six large-scale independent variables (temperature, precipitation, surface runoff, height to the 500-mbar pressure surface, and the zonal and meridional gradient across this surface). ...The area investigated is the western United States. ... The calibration data set is from 1948 through 1988 and includes data from 268 joint temperature and precipitation stations, 152 streamflow stations (which are converted to runoff data), and 24 gridded 500-mbar pressure height nodes.

Viscoelastic microbuckling of fiber composites

A theoretical study is given of viscoelastic microbuckling of fiber composites. The analysis is formulated in terms of general linear viscoelastic behavior within the kink band. Material outside the kink band is assumed to behave elastically. Two specific forms of linear viscoelastic behavior are considered: a standard linear viscoelastic model and a logarithmically creeping model. Results are provided as deformation versus time histories and failure life versus applied stress. Failure is due to either the attainment of a critical failure strain in the kink band or to the intervention of a different failure mechanism such as plastic microbuckling.

Fault-tolerant aspects of MPC

The architecture of model predictive control (MPC), with its explicit internal model and constrained optimization is presented. Since MPC relies on an explicit internal model, one can imagine dealing with failures by updating the internal model, and letting the on-line optimizer work out how to control the system in its new condition. This aspects rely on assumptions such that the nature of the fault can be located, and the model can be updated automatically. A standard form of MPC, with linear inequality constraints on inputs and outputs, linear internal model, and quadriatic cost function.

Slowness: an objective for spike-timing-dependent plasticity?

Our nervous system can efficiently recognize objects in spite of changes in contextual variables such as perspective or lighting conditions. Several lines of research have proposed that this ability for invariant recognition is learned by exploiting the fact that object identities typically vary more slowly in time than contextual variables or noise. Here, we study the question of how this "temporal stability" or "slowness" approach can be implemented within the limits of biologically realistic spike-based learning rules. We first show that slow feature analysis, an algorithm that is based on slowness, can be implemented in linear continuous model neurons by means of a modified Hebbian learning rule. This approach provides a link to the trace rule, which is another implementation of slowness learning. Then, we show analytically that for linear Poisson neurons, slowness learning can be implemented by spike-timing-dependent plasticity (STDP) with a specific learning window. By studying the learning dynamics of STDP, we show that for functional interpretations of STDP, it is not the learning window alone that is relevant but rather the convolution of the learning window with the postsynaptic potential. We then derive STDP learning windows that implement slow feature analysis and the "trace rule." The resulting learning windows are compatible with physiological data both in shape and timescale. Moreover, our analysis shows that the learning window can be split into two functionally different components that are sensitive to reversible and irreversible aspects of the input statistics, respectively. The theory indicates that irreversible input statistics are not in favor of stable weight distributions but may generate oscillatory weight dynamics. Our analysis offers a novel interpretation for the functional role of STDP in physiological neurons.

Fertile-free fuels in pressurized water reactors: Design challenges and solutions

This paper investigates the basic feasibility of using reactor-grade Pu in fertile-free fuel (FFF) matrix in pressurized water reactors (PWRs). Several important issues were investigated in this work: the Pu loading required to achieve a specific interrefueling interval, the impact of inert matrix composition on reactivity constrained length of cycle, and the potential of utilizing burnable poisons (BPs) to alleviate degradation of the reactivity control mechanism and temperature coefficients. Although the subject was addressed in the past, no systematic approach for assessment of BP utilization in FFF cores was published. In this work, we examine all commercially available BP materials in all geometrical arrangements currently used by the nuclear industry with regards to their potential to alleviate the problems associated with the use of FFF in PWRs. The recently proposed MgO-ZrO2 solid-state solution fuel matrix, which appears to be very promising in terms of thermal properties and radiation damage resistance, was used as a reference matrix material in this work. The neutronic impact of the relative amounts of MgO and ZrO2 in the matrix were also studied. The analysis was performed with a neutron transport and fuel assembly burnup code BOXER. A modified linear reactivity model was applied to the two-dimensional single fuel assembly results to approximate the full core characteristics. Based on the results of the performed analyses, the Pu-loaded FFF core demonstrated potential feasibility to be used in existing PWRs. Major FFF core design problems may be significantly mitigated through the correct choice of BP design. It was found that a combination of BP materials and geometries may be required to meet all FFF design goals. The use of enriched (in most effective isotope) BPs, such as 167Er and 157Gd, may further improve the BP effectiveness and reduce the fuel cycle length penalty associated with their use.

Prediction of combustion noise for an aeroengine combustor

Combustion noise may become an important noise source for lean-burn gas turbine engines, and this noise is usually associated with highly unsteady flames. This work aims to compute the broadband combustion noise spectrum for a realistic aeroengine combustor and to compare with available measured noise data on a demonstrator aeroengine. A low-order linear network model is applied to a demonstrator engine combustor to obtain the transfer function that relates to unsteadiness in the rate of heat release, acoustic, entropic, and vortical fluctuations. A spectral model is used for the heat release rate fluctuation, which is the source of the noise. The mean flow of the aeroengine combustor required as input data to this spectral model is obtained from Reynolds-averaged Navier-Stokes simulations. The computed acoustic field for a low-to-medium power setting indicates that the models used in this study capture the main characteristics of the broadband spectral shape of combustion noise. Reasonable agreement with the measured spectral level is achieved. © 2012 AIAA.

Fixed-rank matrix factorizations and Riemannian low-rank optimization

Motivated by the problem of learning a linear regression model whose parameter is a large fixed-rank non-symmetric matrix, we consider the optimization of a smooth cost function defined on the set of fixed-rank matrices. We adopt the geometric framework of optimization on Riemannian quotient manifolds. We study the underlying geometries of several well-known fixed-rank matrix factorizations and then exploit the Riemannian quotient geometry of the search space in the design of a class of gradient descent and trust-region algorithms. The proposed algorithms generalize our previous results on fixed-rank symmetric positive semidefinite matrices, apply to a broad range of applications, scale to high-dimensional problems, and confer a geometric basis to recent contributions on the learning of fixed-rank non-symmetric matrices. We make connections with existing algorithms in the context of low-rank matrix completion and discuss the usefulness of the proposed framework. Numerical experiments suggest that the proposed algorithms compete with state-of-the-art algorithms and that manifold optimization offers an effective and versatile framework for the design of machine learning algorithms that learn a fixed-rank matrix. © 2013 Springer-Verlag Berlin Heidelberg.