Simulation of wind powered hydraulic heating system

The objective of this master’s thesis was to design and simulate a wind powered hydraulic heating system that can operate independently in remote places where the use of electricity is not possible. Components for the system were to be selected in such a way that the conditions for manufacture, use and economic viability are the as good as possible. Savonius rotor was chosen for wind turbine, due to its low cut in speed and robust design. Savonius rotor produces kinetic energy in wide wind speed range and it can withstand high wind gusts. Radial piston pump was chosen for the flow source of the hydraulic heater. Pump type was selected due to its characteristics in low rotation speeds and high efficiency. Volume flow from the pump is passed through the throttle orifice. Pressure drop over the orifice causes the hydraulic oil to heat up and, thus, creating thermal energy. Thermal energy in the oil is led to radiator where it conducts heat to the environment. The hydraulic heating system was simulated. For this purpose a mathematical models of chosen components were created. In simulation wind data gathered by Finnish meteorological institute for 167 hours was used as input. The highest produced power was achieved by changing the orifice diameter so that the rotor tip speed ratio follows the power curve. This is not possible to achieve without using electricity. Thus, for the orifice diameter only one, the optimal value was defined. Results from the simulation were compared with investment calculations. Different parameters effecting the investment profitability were altered in sensitivity analyses in order to define the points of investment profitability. Investment was found to be profitable only with high average wind speeds.

Stability Analysis in Multicriteria Discrete Portfolio Optimization.

Almost every problem of design, planning and management in the technical and organizational systems has several conflicting goals or interests. Nowadays, multicriteria decision models represent a rapidly developing area of operation research. While solving practical optimization problems, it is necessary to take into account various kinds of uncertainty due to lack of data, inadequacy of mathematical models to real-time processes, calculation errors, etc. In practice, this uncertainty usually leads to undesirable outcomes where the solutions are very sensitive to any changes in the input parameters. An example is the investment managing. Stability analysis of multicriteria discrete optimization problems investigates how the found solutions behave in response to changes in the initial data (input parameters). This thesis is devoted to the stability analysis in the problem of selecting investment project portfolios, which are optimized by considering different types of risk and efficiency of the investment projects. The stability analysis is carried out in two approaches: qualitative and quantitative. The qualitative approach describes the behavior of solutions in conditions with small perturbations in the initial data. The stability of solutions is defined in terms of existence a neighborhood in the initial data space. Any perturbed problem from this neighborhood has stability with respect to the set of efficient solutions of the initial problem. The other approach in the stability analysis studies quantitative measures such as stability radius. This approach gives information about the limits of perturbations in the input parameters, which do not lead to changes in the set of efficient solutions. In present thesis several results were obtained including attainable bounds for the stability radii of Pareto optimal and lexicographically optimal portfolios of the investment problem with Savage's, Wald's criteria and criteria of extreme optimism. In addition, special classes of the problem when the stability radii are expressed by the formulae were indicated. Investigations were completed using different combinations of Chebyshev's, Manhattan and Hölder's metrics, which allowed monitoring input parameters perturbations differently.

Process variables in the osmotic dehydration of sliced peaches

This paper evaluated the influence of temperature and concentration of the sucrose syrup on the pre-osmotic dehydration of peaches. Physical (colour and texture) and chemical variables (soluble solid content; total sugar, reducing and non-reducing sugar contents; and titratable acidity) were investigated, as well as the osmotic dehydration parameters (loss of weight and water; solids incorporation). An experimental central composite design was employed varying the temperature (from 30 to 50 ºC) and concentration (from 45 to 65 ºBrix) and maintaining the syrup to fruit ratio (4:1), process time (4 hours), and format (slices). The degree of acceptance was used in the sensory analysis evaluating the following characteristics: appearance, taste, texture, colour, and overall quality using a hedonic scale. The results were modelled using the Statistica program (v. 6.0) and the Response Surface Methodology. The mathematical models of the following dimensionless variations yielded significant (p < 0.05) and predictive results: soluble solids content, total and non-reducing sugar contents, titratable acidity, colour parameter L*, and water loss. The models of the attributes colour and appearance yielded significant (p < 0.10) but not predictive results. Temperature was the prevalent effect in the models. The process conditions in the range from 50 to 54.1 ºC and from 45 to 65 ºBrix led to greater water losses and better sensory performances.

Form, size and volumetric expansion of Adzuki beans (Vigna angularis) during soaking

This study analyzed the variation in shape and size of Adzuki beans during soaking at different temperatures. In addition, different mathematical models were fitted to the experimental values of volumetric expansion, selecting the best one. Grains of Adzuki beans (Vigna angularis) with moisture content of approximately 0.25 (decimal d.b.) were manually harvested; they were, then, dried to 0.128 (decimal d.b.). The beans were subjected to soaking in distilled water at the temperatures 18 ± 1, 27 ± 1, 36 ± 1, and 45 ± 1 °C, in five repetitions. Recipients containing 80 mL of distilled water and 20 g of beans for each sample were used. The samples were periodically weighed in order to determine the water absorption. After that, the samples were removed from the recipients and placed on filter papers for two minutes to drain the surface water. Water absorption continued until the beans reached the saturation moisture content. It was concluded that, the form of the Adzuki beans was altered regularly, the orthogonal axes expanded differentially in the radial and axial directions, and that the linear model appropriately described the volumetric expansion of the Adzuki beans, among the series of models analyzed for the temperatures 18, 27, 36 and 45 °C.

Dehydration of "dedo de moça" pepper: kinetics and phytochemical concentration

Red pepper is rich in vitamin C and other phytochemicals and can be consumed as a dehydrated product. The evaluation of the best drying conditions can ensure a better quality product. This study aimed to investigate the effect of air temperature (55, 65, and 75 ºC) on drying kinetics of red peppers and on vitamin C, total phenolic content, and color of dried pepper as compared to the fresh product. Dehydration was carried out in a forced convection oven. Drying kinetics was determined by periodic weighting until constant weight. The moisture content of the fresh pepper was approximately 86%. The drying curves were fitted to three different models available in the literature. The Page model showed the best fit for this process. Analysis of variance revealed that the air drying temperature significantly influenced (p < 0.05) the quality parameters (vitamin C content, total phenolic content, and color) of the dried pepper as compared to the fresh pepper. After drying, the vitamin C retention increased with reduced air-drying temperature. In general, products dried at lower temperatures exhibited better quality due to reduced losses of bioactive compounds.

Drying kinetics of potato pulp waste

Potato pulp waste (PPW) drying was investigated under different experimental conditions (temperatures from 50 to 70 °C and air flow from 0.06 to 0.092 m³ m- 2 s- 1) as a possible way to recover the waste generated by potato chip industries and to select the best-fit model to the experimental results of PPW drying. As a criterion to evaluate the fitting of mathematical models, a method based on the sum of the scores assigned to the four evaluated statistical parameters was used: regression coefficient (R²), relative mean error P (%), root mean square error (RMSE), and reduced chi-square (χ²). The results revealed that temperature and air velocity are important parameters to reduce PPW drying time. The models Midilli and Diffusion had the lowest sum values, i.e., with the best fit to the drying data, satisfactorily representing the drying kinetics of PPW.

Uncertainty of Efficiency Measurements in Electric Drives

The two central goals of this master's thesis are to serve as a guidebook on the determination of uncertainty in efficiency measurements and to investigate sources of uncertainty in efficiency measurements in the field of electric drives by a literature review, mathematical modeling and experimental means. The influence of individual sources of uncertainty on the total instrumental uncertainty is investigated with the help of mathematical models derived for a balance and a direct air cooled calorimeter. The losses of a frequency converter and an induction motor are measured with the input-output method and a balance calorimeter at 50 and 100 % loads. A software linking features of Matlab and Excel is created to process measurement data, calculate uncertainties and to calculate and visualize results. The uncertainties are combined with both the worst case and the realistic perturbation method and distributions of uncertainty by source are shown based on experimental results. A comparison of the calculated uncertainties suggests that the balance calorimeter determines losses more accurately than the input-output method with a relative RPM uncertainty of 1.46 % compared to 3.78 - 12.74 % respectively with 95 % level of confidence at the 93 % induction motor efficiency or higher. As some principles in uncertainty analysis are open to interpretation the views and decisions of the analyst can have noticeable influence on the uncertainty in the measurement result.

Analytical modelling of bacterial migration and accumulation with rate-limited sorption in discrete fractures

An analytical model for bacterial accumulation in a discrete fractllre has been developed. The transport and accumlllation processes incorporate into the model include advection, dispersion, rate-limited adsorption, rate-limited desorption, irreversible adsorption, attachment, detachment, growth and first order decay botl1 in sorbed and aqueous phases. An analytical solution in Laplace space is derived and nlln1erically inverted. The model is implemented in the code BIOFRAC vvhich is written in Fortran 99. The model is derived for two phases, Phase I, where adsorption-desorption are dominant, and Phase II, where attachment-detachment are dominant. Phase I ends yvhen enollgh bacteria to fully cover the substratllm have accllillulated. The model for Phase I vvas verified by comparing to the Ogata-Banks solution and the model for Phase II was verified by comparing to a nonHomogenous version of the Ogata-Banks solution. After verification, a sensitiv"ity analysis on the inpllt parameters was performed. The sensitivity analysis was condllcted by varying one inpllt parameter vvhile all others were fixed and observing the impact on the shape of the clirve describing bacterial concentration verSllS time. Increasing fracture apertllre allovvs more transport and thus more accllffilliation, "Vvhich diminishes the dllration of Phase I. The larger the bacteria size, the faster the sllbstratum will be covered. Increasing adsorption rate, was observed to increase the dllration of Phase I. Contrary to the aSSllmption ofllniform biofilm thickness, the accllffilliation starts frOll1 the inlet, and the bacterial concentration in aqlleous phase moving towards the olitiet declines, sloyving the accumulation at the outlet. Increasing the desorption rate, redllces the dliration of Phase I, speeding IIp the accllmlilation. It was also observed that Phase II is of longer duration than Phase I. Increasing the attachment rate lengthens the accliffililation period. High rates of detachment speeds up the transport. The grovvth and decay rates have no significant effect on transport, althollgh increases the concentrations in both aqueous and sorbed phases are observed. Irreversible adsorption can stop accllillulation completely if the vallIes are high.

On the equation of state and atomic mean square displacement of crystals

We have presented a Green's function method for the calculation of the atomic mean square displacement (MSD) for an anharmonic Hamil toni an . This method effectively sums a whole class of anharmonic contributions to MSD in the perturbation expansion in the high temperature limit. Using this formalism we have calculated the MSD for a nearest neighbour fcc Lennard Jones solid. The results show an improvement over the lowest order perturbation theory results, the difference with Monte Carlo calculations at temperatures close to melting is reduced from 11% to 3%. We also calculated the MSD for the Alkali metals Nat K/ Cs where a sixth neighbour interaction potential derived from the pseudopotential theory was employed in the calculations. The MSD by this method increases by 2.5% to 3.5% over the respective perturbation theory results. The MSD was calculated for Aluminum where different pseudopotential functions and a phenomenological Morse potential were used. The results show that the pseudopotentials provide better agreement with experimental data than the Morse potential. An excellent agreement with experiment over the whole temperature range is achieved with the Harrison modified point-ion pseudopotential with Hubbard-Sham screening function. We have calculated the thermodynamic properties of solid Kr by minimizing the total energy consisting of static and vibrational components, employing different schemes: The quasiharmonic theory (QH), ).2 and).4 perturbation theory, all terms up to 0 ().4) of the improved self consistent phonon theory (ISC), the ring diagrams up to o ().4) (RING), the iteration scheme (ITER) derived from the Greens's function method and a scheme consisting of ITER plus the remaining contributions of 0 ().4) which are not included in ITER which we call E(FULL). We have calculated the lattice constant, the volume expansion, the isothermal and adiabatic bulk modulus, the specific heat at constant volume and at constant pressure, and the Gruneisen parameter from two different potential functions: Lennard-Jones and Aziz. The Aziz potential gives generally a better agreement with experimental data than the LJ potential for the QH, ).2, ).4 and E(FULL) schemes. When only a partial sum of the).4 diagrams is used in the calculations (e.g. RING and ISC) the LJ results are in better agreement with experiment. The iteration scheme brings a definitive improvement over the).2 PT for both potentials.

Sex chromosome translocation and speciation : a Drosophila genetic model

Although exceptions may be readily identified, two generalizations concerning genetic differences among species may be drawn from the available allozyme and chromosome data. First, structural gene differences among species vary widely. In many cases, species pairs do not differ more than intraspecific populations. This suggests that either very few or no gene substitutions are required to produce barriers to reproduction (Avise 1976). Second, chromosome form and/or number differs among even closely related species (White 1963; 1978; Fredga 1977; Wright 1970). Many of the observed chromosomal differences involve translocational rearrangements; these produce severe fitness depression in heterozygotes and were, thus, long considered unlikely candidates for the fixation required of genetic changes leading to speciation (Wright 1977). Nonetheless, the fact that species differences are frequently translocational argues convincingly for their fixation despite prejudices to the contrary. Haldane's rule states that in the F of interspecific crosses, the heterogametic sex is absent or sterile in the preponderance of cases (Haldane 1932). This rule definitely applies in the genus Dr°sophila (Ehrman 1962). Sex chromosome translocations do not impose a fitness depression as severe as that imposed by autosomal translocations, and X-Y translocations may account for Haldane's rule (Haldane 1932). Consequently a study of the fit ness parameters of an X·yL and a yS chromosome in Drosophila melanogaster populations was initiated by Tracey (1972). Preliminary results suggested that x.yL//YSmales enjoyed a mating advantage with X·yL//X·yL females, that this advantage was frequency dependent, that the translocation produced sexual isolation and that interactions between the yL, yS and a yellow marker contributed to the observed isolation (Tracey and Espinet 1976; Espinet and Tracey 1976). Encouraged by the results of these prelimimary studies, further experiments were performed to clarify the genetic nature of the observed sexual isolation, S the reality of the y frequency dependent fitness .and the behavioural changes, if any, produced by the translocation. The results of this work are reported herein. Although the marker genes used in earlier studies, sparkling poliert an d yellow have both been found to affect activity,but only yellow effects asymmetric sexual isolation. In addition yellow effects isolation through an interaction with the T(X-y) chromosomes, yS also effects isolation, and translocational strains are isolated from those of normal karyotype in the absence of marker gene differences. When yS chromosomes are in competition with y chromosomes on an X.yL background, yS males are at a distinct advantage only when their frequency is less than 97%. The sex chromosome translocation alters the normal courtship pattern by the incorporation of circling between vibration and licking in the male repertoire. Finally a model of speciation base on the fixation of this sex chromosome translocation in a geographically isolated gene pool is proposed.

Planification et dimensionnement des réseaux optiques de longues distances

Le projet de recherche porte sur l'étude des problèmes de conception et de planification d'un réseau optique de longue distance, aussi appelé réseau de coeur (OWAN-Optical Wide Area Network en anglais). Il s'agit d'un réseau qui transporte des flots agrégés en mode commutation de circuits. Un réseau OWAN relie différents sites à l'aide de fibres optiques connectées par des commutateurs/routeurs optiques et/ou électriques. Un réseau OWAN est maillé à l'échelle d'un pays ou d’un continent et permet le transit des données à très haut débit. Dans une première partie du projet de thèse, nous nous intéressons au problème de conception de réseaux optiques agiles. Le problème d'agilité est motivé par la croissance de la demande en bande passante et par la nature dynamique du trafic. Les équipements déployés par les opérateurs de réseaux doivent disposer d'outils de configuration plus performants et plus flexibles pour gérer au mieux la complexité des connexions entre les clients et tenir compte de la nature évolutive du trafic. Souvent, le problème de conception d'un réseau consiste à prévoir la bande passante nécessaire pour écouler un trafic donné. Ici, nous cherchons en plus à choisir la meilleure configuration nodale ayant un niveau d'agilité capable de garantir une affectation optimale des ressources du réseau. Nous étudierons également deux autres types de problèmes auxquels un opérateur de réseau est confronté. Le premier problème est l'affectation de ressources du réseau. Une fois que l'architecture du réseau en termes d'équipements est choisie, la question qui reste est de savoir : comment dimensionner et optimiser cette architecture pour qu'elle rencontre le meilleur niveau possible d'agilité pour satisfaire toute la demande. La définition de la topologie de routage est un problème d'optimisation complexe. Elle consiste à définir un ensemble de chemins optiques logiques, choisir les routes physiques suivies par ces derniers, ainsi que les longueurs d'onde qu'ils utilisent, de manière à optimiser la qualité de la solution obtenue par rapport à un ensemble de métriques pour mesurer la performance du réseau. De plus, nous devons définir la meilleure stratégie de dimensionnement du réseau de façon à ce qu'elle soit adaptée à la nature dynamique du trafic. Le second problème est celui d'optimiser les coûts d'investissement en capital(CAPEX) et d'opération (OPEX) de l'architecture de transport proposée. Dans le cas du type d'architecture de dimensionnement considérée dans cette thèse, le CAPEX inclut les coûts de routage, d'installation et de mise en service de tous les équipements de type réseau installés aux extrémités des connexions et dans les noeuds intermédiaires. Les coûts d'opération OPEX correspondent à tous les frais liés à l'exploitation du réseau de transport. Étant donné la nature symétrique et le nombre exponentiel de variables dans la plupart des formulations mathématiques développées pour ces types de problèmes, nous avons particulièrement exploré des approches de résolution de type génération de colonnes et algorithme glouton qui s'adaptent bien à la résolution des grands problèmes d'optimisation. Une étude comparative de plusieurs stratégies d'allocation de ressources et d'algorithmes de résolution, sur différents jeux de données et de réseaux de transport de type OWAN démontre que le meilleur coût réseau est obtenu dans deux cas : une stratégie de dimensionnement anticipative combinée avec une méthode de résolution de type génération de colonnes dans les cas où nous autorisons/interdisons le dérangement des connexions déjà établies. Aussi, une bonne répartition de l'utilisation des ressources du réseau est observée avec les scénarios utilisant une stratégie de dimensionnement myope combinée à une approche d'allocation de ressources avec une résolution utilisant les techniques de génération de colonnes. Les résultats obtenus à l'issue de ces travaux ont également démontré que des gains considérables sont possibles pour les coûts d'investissement en capital et d'opération. En effet, une répartition intelligente et hétérogène de ressources d’un réseau sur l'ensemble des noeuds permet de réaliser une réduction substantielle des coûts du réseau par rapport à une solution d'allocation de ressources classique qui adopte une architecture homogène utilisant la même configuration nodale dans tous les noeuds. En effet, nous avons démontré qu'il est possible de réduire le nombre de commutateurs photoniques tout en satisfaisant la demande de trafic et en gardant le coût global d'allocation de ressources de réseau inchangé par rapport à l'architecture classique. Cela implique une réduction substantielle des coûts CAPEX et OPEX. Dans nos expériences de calcul, les résultats démontrent que la réduction de coûts peut atteindre jusqu'à 65% dans certaines jeux de données et de réseau.

Étude numérique des origines hémodynamiques des oscillations dans des réseaux de capillaires

En simulant l’écoulement du sang dans un réseau de capillaires (en l’absence de contrôle biologique), il est possible d’observer la présence d’oscillations de certains paramètres comme le débit volumique, la pression et l’hématocrite (volume des globules rouges par rapport au volume du sang total). Ce comportement semble être en concordance avec certaines expériences in vivo. Malgré cet accord, il faut se demander si les fluctuations observées lors des simulations de l’écoulement sont physiques, numériques ou un artefact de modèles irréalistes puisqu’il existe toujours des différences entre des modélisations et des expériences in vivo. Pour répondre à cette question de façon satisfaisante, nous étudierons et analyserons l’écoulement du sang ainsi que la nature des oscillations observées dans quelques réseaux de capillaires utilisant un modèle convectif et un modèle moyenné pour décrire les équations de conservation de masse des globules rouges. Ces modèles tiennent compte de deux effets rhéologiques importants : l’effet Fåhraeus-Lindqvist décrivant la viscosité apparente dans un vaisseau et l’effet de séparation de phase schématisant la distribution des globules rouges aux points de bifurcation. Pour décrire ce dernier effet, deux lois de séparation de phase (les lois de Pries et al. et de Fenton et al.) seront étudiées et comparées. Dans ce mémoire, nous présenterons une description du problème physiologique (rhéologie du sang). Nous montrerons les modèles mathématiques employés (moyenné et convectif) ainsi que les lois de séparation de phase (Pries et al. et Fenton et al.) accompagnés d’une analyse des schémas numériques implémentés. Pour le modèle moyenné, nous employons le schéma numérique explicite traditionnel d’Euler ainsi qu’un nouveau schéma implicite qui permet de résoudre ce problème d’une manière efficace. Ceci est fait en utilisant une méthode de Newton- Krylov avec gradient conjugué préconditionné et la méthode de GMRES pour les itérations intérieures ainsi qu’une méthode quasi-Newton (la méthode de Broyden). Cette méthode inclura le schéma implicite d’Euler et la méthode des trapèzes. Pour le schéma convectif, la méthode explicite de Kiani et al. sera implémentée ainsi qu’une nouvelle approche implicite. La stabilité des deux modèles sera également explorée. À l’aide de trois différentes topologies, nous comparerons les résultats de ces deux modèles mathématiques ainsi que les lois de séparation de phase afin de déterminer dans quelle mesure les oscillations observées peuvent être attribuables au choix des modèles mathématiques ou au choix des méthodes numériques.

Étude des interactions supramoléculaires par modélisation moléculaire

L’avancée des infrastructures informatiques a permis l’émergence de la modélisation moléculaire. À cet effet, une multitude de modèles mathématiques sont aujourd’hui disponibles pour simuler différents systèmes chimiques. À l’aide de la modélisation moléculaire, différents types d’interactions chimiques ont été observés. À partir des systèmes les plus simples permettant l’utilisation de modèles quantiques rigoureux, une série d’approximations a été considérée pour rendre envisageable la simulation de systèmes moléculaires de plus en plus complexes. En premier lieu, la théorie de la fonctionnelle de densité dépendante du temps a été utilisée pour simuler les énergies d’excitation de molécules photoactives. De manière similaire, la DFT indépendante du temps a permis la simulation du pont hydrogène intramoléculaire de structures analogues au 1,3,5-triazapentadiène et la rationalisation de la stabilité des états de transition. Par la suite, la dynamique moléculaire et la mécanique moléculaire ont permis de simuler les interactions d’un trimère d’acide cholique et d’un pyrène dans différents solvants. Cette même méthodologie a été utilisée pour simuler les interactions d’un rotaxane-parapluie à l’interface d’un système biphasique. Finalement, l’arrimage moléculaire et les fonctions de score ont été utilisés pour simuler les interactions intermoléculaires entre une protéine et des milliers de candidats moléculaires. Les résultats ont permis de mettre en place une stratégie de développement d’un nouvel inhibiteur enzymatique.

De la modélisation à la quantification par ultrasons de l'agrégation érythrocytaire

Le travail a été réalisé en collaboration avec le laboratoire de mécanique acoustique de Marseille, France. Les simulations ont été menées avec les langages Matlab et C. Ce projet s'inscrit dans le champ de recherche dénommé caractérisation tissulaire par ultrasons.

The psychophysics of decision making in a two-direction random dot motion target selection task

La tâche de kinématogramme de points aléatoires est utilisée avec le paradigme de choix forcé entre deux alternatives pour étudier les prises de décisions perceptuelles. Les modèles décisionnels supposent que les indices de mouvement pour les deux alternatives sont encodés dans le cerveau. Ainsi, la différence entre ces deux signaux est accumulée jusqu’à un seuil décisionnel. Cependant, aucune étude à ce jour n’a testé cette hypothèse avec des stimuli contenant des mouvements opposés. Ce mémoire présente les résultats de deux expériences utilisant deux nouveaux stimuli avec des indices de mouvement concurrentiels. Parmi une variété de combinaisons d’indices concurrentiels, la performance des sujets dépend de la différence nette entre les deux signaux opposés. De plus, les sujets obtiennent une performance similaire avec les deux types de stimuli. Ces résultats supportent un modèle décisionnel basé sur l’accumulation des indices de mouvement net et suggèrent que le processus décisionnel peut intégrer les signaux de mouvement à partir d’une grande gamme de directions pour obtenir un percept global de mouvement.