DEVELOPMENT OF A MICRO-HEAT EXCHANGER WITH STACKED PLATES USING LTCC TECHNOLOGY

A green ceramic tape micro-heat exchanger was developed using Low Temperature Co-fired Ceramics technology (LTCC). The device was designed by using Computational Aided Design software and simulations were made using a Computational Fluid Dynamics package (COMSOL Multiphysics) to evaluate the homogeneity of fluid distribution in the microchannels. Four geometries were proposed and simulated in two and three dimensions to show that geometric details directly affect the distribution of velocity in the micro-heat exchanger channels. The simulation results were quite useful for the design of the microfluidic device. The micro-heat exchanger was then constructed using the LTCC technology and is composed of five thermal exchange plates in cross-flow arrangement and two connecting plates, with all plates stacked to form a device with external dimensions of 26 x 26 x 6 mm(3).

The effect of flow arrangement on the pressure drop of plate heat exchangers

For the optimal design of plate heat exchangers (PHEs), an accurate thermal-hydraulic model that takes into account the effect of the flow arrangement on the heat load and pressure drop is necessary. In the present study, the effect of the flow arrangement on the pressure drop of a PHE is investigated. Thirty two different arrangements were experimentally tested using a laboratory scale PHE with flat plates. The experimental data was used for (a) determination of an empirical correlation for the effect of the number of passes and number of flow channels per pass on the pressure drop; (b) validation of a friction factor model through parameter estimation; and (c) comparison with the simulation results obtained with a CFD (computational fluid dynamics) model of the PHE. All three approaches resulted in a good agreement between experimental and predicted values of pressure drop. Moreover, the CFD model is used for evaluating the flow maldistribution in a PHE with two channels Per Pass. (c) 2008 Elsevier Ltd. All rights reserved.

Two dimensional computational fluid dynamic models for waste stabilisation ponds

Traditional waste stabilisation pond (WSP) models encounter problems predicting pond performance because they cannot account for the influence of pond features, such as inlet structure or pond geometry, on fluid hydrodynamics. In this study, two dimensional (2-D) computational fluid dynamics (CFD) models were compared to experimental residence time distributions (RTD) from literature. In one of the-three geometries simulated, the 2-D CFD model successfully predicted the experimental RTD. However, flow patterns in the other two geometries were not well described due to the difficulty of representing the three dimensional (3-D) experimental inlet in the 2-D CFD model, and the sensitivity of the model results to the assumptions used to characterise the inlet. Neither a velocity similarity nor geometric similarity approach to inlet representation in 2-D gave results correlating with experimental data. However. it was shown that 2-D CFD models were not affected by changes in values of model parameters which are difficult to predict, particularly the turbulent inlet conditions. This work suggests that 2-D CFD models cannot be used a priori to give an adequate description of the hydrodynamic patterns in WSP. (C) 1998 Elsevier Science Ltd. All rights reserved.

Pharmacokinetic software for the health sciences - Choosing the right package for teaching purposes

Computer assisted learning has an important role in the teaching of pharmacokinetics to health sciences students because it transfers the emphasis from the purely mathematical domain to an 'experiential' domain in which graphical and symbolic representations of actions and their consequences form the major focus for learning. Basic pharmacokinetic concepts can be taught by experimenting with the interplay between dose and dosage interval with drug absorption (e.g. absorption rate, bioavailability), drug distribution (e.g. volume of distribution, protein binding) and drug elimination (e.g. clearance) on drug concentrations using library ('canned') pharmacokinetic models. Such 'what if' approaches are found in calculator-simulators such as PharmaCalc, Practical Pharmacokinetics and PK Solutions. Others such as SAAM II, ModelMaker, and Stella represent the 'systems dynamics' genre, which requires the user to conceptualise a problem and formulate the model on-screen using symbols, icons, and directional arrows. The choice of software should be determined by the aims of the subject/course, the experience and background of the students in pharmacokinetics, and institutional factors including price and networking capabilities of the package(s). Enhanced learning may result if the computer teaching of pharmacokinetics is supported by tutorials, especially where the techniques are applied to solving problems in which the link with healthcare practices is clearly established.

Modelagem da dispersão de odores em ambientes urbanos

O presente trabalho investigou o problema da modelagem da dispersão de compostos odorantes em presença de obstáculos (cúbicos e com forma complexa) sob condição de estabilidade atmosférica neutra. Foi empregada modelagem numérica baseada nas equações de transporte (CFD1) bem como em modelos algébricos baseados na pluma Gausseana (AERMOD2, CALPUFF3 e FPM4). Para a validação dos resultados dos modelos e a avaliação do seu desempenho foram empregados dados de experimentos em túnel de vento e em campo. A fim de incluir os efeitos da turbulência atmosférica na dispersão, dois diferentes modelos de sub-malha associados à Simulação das Grandes Escalas (LES5) foram investigados (Smagorinsky dinâmico e WALE6) e, para a inclusão dos efeitos de obstáculos na dispersão nos modelos Gausseanos, foi empregado o modelo PRIME7. O uso do PRIME também foi proposto para o FPM como uma inovação. De forma geral, os resultados indicam que o uso de CFD/LES é uma ferramenta útil para a investigação da dispersão e o impacto de compostos odorantes em presença de obstáculos e também para desenvolvimento dos modelos Gausseanos. Os resultados também indicam que o modelo FPM proposto, com a inclusão dos efeitos do obstáculo baseado no PRIME também é uma ferramenta muito útil em modelagem da dispersão de odores devido à sua simplicidade e fácil configuração quando comparado a modelos mais complexos como CFD e mesmo os modelos regulatórios AERMOD e CALPUFF. A grande vantagem do FPM é a possibilidade de estimar-se o fator de intermitência e a relação pico-média (P/M), parâmetros úteis para a avaliação do impacto de odores. Os resultados obtidos no presente trabalho indicam que a determinação dos parâmetros de dispersão para os segmentos de pluma, bem como os parâmetros de tempo longo nas proximidades da fonte e do obstáculo no modelo FPM pode ser melhorada e simulações CFD podem ser usadas como uma ferramenta de desenvolvimento para este propósito. Palavras chave: controle de odor, dispersão, fluidodinâmica computacional, modelagem matemática, modelagem gaussiana de pluma flutuante, simulação de grandes vórtices (LES).

Polymer indentation with mesoscopic molecular dynamics

Indentation tests are used to determine the hardness of a material, e.g., Rockwell, Vickers, or Knoop. The indentation process is empirically observed in the laboratory during these tests; the mechanics of indentation is insufficiently understood. We have performed first molecular dynamics computer simulations of indentation resistance of polymers with a chain structure similar to that of high density polyethylene (HDPE). A coarse grain model of HDPE is used to simulate how the interconnected segments respond to an external force imposed by an indenter. Results include the time-dependent measurement of penetration depth, recovery depth, and recovery percentage, with respect to indenter force, indenter size, and indentation time parameters. The simulations provide results that are inaccessible experimentally, including continuous evolution of the pertinent tribological parameters during the entire indentation process.

Esforços hidrodinâmicos em comportas verticais (Downpull)

O downpull é uma força gerada pelo efeito do escoamento em comportas planas com estanquidade a jusante e pode condicionar, de forma determinante, o dimensionamento do órgão de manobra e a preponderância de fecho de uma comporta vertical em condições de emergência. Neste trabalho é desenvolvido um modelo de cálculo analítico para a obtenção do downpull e um modelo de simulação numérica com Computational Fluid Dynamics (CFD). O modelo analítico desenvolvido foi exposto numa folha de cálculo e permite a obtenção de resultados em poucos minutos, factor essencial sob o ponto de vista económico. O modelo em CFD tem como principal objectivo a validação do modelo analítico. Sendo um modelo mais complexo e dispendioso em termos de tempo despendido, apenas poderá ser utilizado em situações pontuais que exijam um maior rigor nos resultados obtidos.

Comportamento dinâmico da rede eléctrica da ilha de São Vicente em Cabo Verde: estabilidade de tensão

Neste trabalho é efectuado, não só o diagnóstico em regime permanente, mas também o estudo, simulação e análise do comportamento dinâmico da rede eléctrica da ilha de São Vicente em Cabo Verde. Os estudos de estabilidade transitória desempenham um importante papel, tanto no planeamento como na operação dos sistemas de potência. Tais estudos são realizados, em grande parte, através de simulação digital no domínio do tempo, utilizando integração numérica para resolver as equações não-lineares que modelam a dinâmica do sistema e dependem da existência de registos reais de perturbação (ex: osciloperturbografia). O objectivo do trabalho será também verificar a aplicabilidade dos requisitos técnicos que as unidades geradoras devem ter, no que concerne ao controlo de tensão, estabelecidos na futura regulamentação europeia desenvolvida pela ENTSO-E (European Network Transmission System Operator for Electricity). De entre os requisitos analisou-se a capacidade das máquinas existentes suportarem cavas de tensão decorrentes de curto-circuitos trifásicos simétricos, Fault Ride Through, no ponto de ligação à rede. Identificaram-se para o efeito os factores que influenciam a estabilidade desta rede, em regime perturbado nomeadamente: (i) duração do defeito, (ii) caracterização da carga, com e sem a presença do sistema de controlo de tensão (AVR) em unidades de geração síncronas. Na ausência de registos reais sobre o comportamento do sistema, conclui-se que este é sensível à elasticidade das cargas em particular do tipo potência constante, existindo risco de perda de estabilidade, neste caso, para defeitos superiores a 5ms sem AVR. A existência de AVR nesta rede afigura-se como indispensável para garantir estabilidade de tensão sendo contudo necessário proceder a uma correcta parametrização.

Projecto suspensão formula student

Trabalho Final de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Mecânica

Reacção de cisão da molécula de azoto em xénon supercrítico

Apenas há 100 anos atrás foi finalmente estabelecido que os sistemas biológicos têm a capacidade de fixar o azoto. A Química ainda se encontrava atrasada, mas em 1913, Haber e Bosh projectaram a primeira instalação comercial de fixação do azoto e fundaram a indústria química inorgânica moderna. Os mecanismos destes dois processos relacionados são, no entanto, muito diversos. Laplaza e Cummins apresentaram na revista Science uma reacção que representa o culminar de 30 anos de trabalho da comunidade química na fixação de azoto em condições próximas das atmosféricas. Esta descoberta apresenta um complexo inorgânico simples que pode quebrar a ligação tripla da molécula de azoto para formar um novo nitrilo-complexo sem a necessidade de qualquer outro reagente. Esta publicação inspirou o trabalho apresentado nesta tese. Como a transferência de massa entre as fases – gasosa (azoto) e o solvente líquido – constituía um factor limitativo da cinética da reacção, assim a utilização de um solvente supercrítico pareceu ser uma melhoria óbvia. O xénon é o único fluido supercrítico, à temperatura ambiente suficientemente inerte quimicamente para ser usado como solvente em contacto com uma substância extremamente reactiva, capaz de quebrar a ligação da molécula de azoto. Neste trabalho, a reacção descoberta por Laplaza e Cummins foi efectuada em xénon supercrítico. A realização desta reacção envolveu diversas etapas: 1. As sínteses do composto Mo(NRAr)3 (1) (onde R é C(CD3)2CH3 e Ar é 3,5-C6H3(CH3)2), usando caixa de luvas e técnicas sob atmosfera de árgon; 2. A construção de uma nova instalação, projectada para a realização da reacção do composto 1 com o azoto em xénon supercrítico, com monitorização contínua através de espectrofotometria visível; 3. A introdução de sucessivas modificações devido a dificuldades experimentais imprevistas conduziu à reconstrução substancial da primeira instalação utilizada, de forma a ser possível medir a solubilidade do composto 1 em xénon supercrítico, e de proporcionar a difusão do azoto no xénon. 4. Medições da solubilidade do complexo 1 em xénon supercrítico, à temperatura ambiente e pressões entre 6 e 10MPa; 5. Medições da cinética da reacção do composto 1 com azoto gasoso, usando xénon supercrítico como solvente, em diversas condições, com diversos ambientes de solventes, em diferentes quantidades do composto 1, e usando métodos de detecção completamente diferentes do método espectroscópico inicialmente programado; 6. Utilização de simulações em CFD (Computer Fluid Dynamics) para interpretar os resultados obtidos. Estas simulações sugerem que a elevada densidade do xénon induz a sedimentação lenta do excesso (não dissolvido) do composto 1, que controla a distribuição do produto da reacção dentro do reactor. A conclusão principal foi a de que a cisão da ligação da molécula do azoto pelo composto 1 pode ser obtida em segundos em xénon supercrítico.

Simulação de sistema de desenfumagem de parques de estacionamento recorrendo ao programa OpenFOAM

Os parques de estacionamento cobertos estão obrigados por legislação a terem sistemas de desenfumagem. Assim, nesta dissertação desenvolve-se um procedimento computacional para a analise e verificação de funcionamento de sistemas de desenfumagem com ventiladores de impulso para parques de estacionamento, recorrendo ao software de mecânica dos fluidos computacional OpenFOAM. Actualmente nos sistemas de desenfumagem de parques de estacionamento estão a ser aplicados ventiladores de impulso. Este tipo de ventiladores não estão contemplados pela legislação em vigor. Assim, para serem utilizados é necessário verificar se estes podem substituir as redes de condutas. A verificação do funcionamento de sistemas de desenfumagem com ventiladores de impulso e efectuada com recurso a programas de simulação de mecânica dos fluidos computacional. O software OpenFOAM não tem tutoriais para ventiladores de impulso. Assim, foi executado um procedimento para validação dos ventiladores de impulso. A validação consistiu em reproduzir-se uma experiência executada por Giesen et al. (2011). Executaram-se várias simulações com diferentes modelos de turbulência, verificando-se que o programa buoyantpimplefoam do software OpenFOAM ao utilizar o modelo de turbulência k -ɛ simulou quase na perfeição os ventiladores de impulso. O desenvolvimento do procedimento computacional foi executado para um parque de estacionamento com uma geometria bastante complexa. O parque de estacionamento foi criado com um software em 3D e posteriormente inserido numa malha j a criada com as dimensões exteriores do parque. Foram estipuladas as condições de fronteira e executou-se uma simulação de seiscentos segundos com parâmetros determinados previamente. O processamento da simulação teve a duração de aproximadamente oito dias. Dos resultados obtidos concluiu-se que o procedimento computacional apresentado simula adequadamente sistemas de desenfumagem em parques de estacionamento.

Desenvolvimento de um procedimento de Numerical Site Calibration para um Parque Eólico usando Dinâmica de Fluidos Computacional

Esta dissertação descreve o desenvolvimento e avaliação de um procedimento de \Numerical Site Calibration" (NSC) para um Parque Eólico, situado a sul de Portugal, usando Dinâmica de Fluídos Computacional (CFD). O NSC encontra-se baseado no \Site Calibration" (SC), sendo este um método de medição padronizado pela Comissão Electrónica Internacional através da norma IEC 61400. Este método tem a finalidade de quantificar e reduzir os efeitos provocados pelo terreno e por possíveis obstáculos, na medição do desempenho energético das turbinas eólicas. Assim, no SC são realizadas medições em dois pontos, no mastro referência e no local da turbina (mastro temporário). No entanto, em Parques Eólicos já construídos, este método não é aplicável visto ser necessária a instalação de um mastro de medição no local da turbina e, por conseguinte, o procedimento adequado para estas circunstâncias é o NSC. O desenvolvimento deste método é feito por um código CFD, desenvolvido por uma equipa de investigação do Instituto Superior de Engenharia do Porto, designado de WINDIETM, usado extensivamente pela empresa Megajoule Inovação, Lda em aplicações de energia eólica em todo mundo. Este código é uma ferramenta para simulação de escoamentos tridimensionais em terrenos complexos. As simulações do escoamento são realizadas no regime transiente utilizando as equações de Navier-Stokes médias de Reynolds com aproximação de Bussinesq e o modelo de turbulência TKE 1.5. As condições fronteira são provenientes dos resultados de uma simulação realizada com Weather Research and Forecasting, WRF. Estas simulações dividem-se em dois grupos, um dos conjuntos de simulações utiliza o esquema convectivo Upwind e o outro utiliza o esquema convectivo de 4aordem. A análise deste método é realizada a partir da comparação dos dados obtidos nas simulações realizadas no código WINDIETM e a coleta de dados medidos durante o processo SC. Em suma, conclui-se que o WINDIETM e as suas configurações reproduzem bons resultados de calibração, ja que produzem erros globais na ordem de dois pontos percentuais em relação ao SC realizado para o mesmo local em estudo.

Microsatellites can be misleading: an empirical and simulation study.

It has been long recognized that highly polymorphic genetic markers can lead to underestimation of divergence between populations when migration is low. Microsatellite loci, which are characterized by extremely high mutation rates, are particularly likely to be affected. Here, we report genetic differentiation estimates in a contact zone between two chromosome races of the common shrew (Sorex araneus), based on 10 autosomal microsatellites, a newly developed Y-chromosome microsatellite, and mitochondrial DNA. These results are compared to previous data on proteins and karyotypes. Estimates of genetic differentiation based on F- and R-statistics are much lower for autosomal microsatellites than for all other genetic markers. We show by simulations that this discrepancy stems mainly from the high mutation rate of microsatellite markers for F-statistics and from deviations from a single-step mutation model for R-statistics. The sex-linked genetic markers show that all gene exchange between races is mediated by females. The absence of male-mediated gene flow most likely results from male hybrid sterility.

In silico prediction of human carboxylesterase-1 (hCES1) metabolism combining docking analyses and MD simulations.

Metabolic problems lead to numerous failures during clinical trials, and much effort is now devoted in developing in silico models predicting metabolic stability and metabolites. Such models are well known for cytochromes P450 and some transferases, whereas little has been done to predict the hydrolytic activity of human hydrolases. The present study was undertaken to develop a computational approach able to predict the hydrolysis of novel esters by human carboxylesterase hCES1. The study involves both docking analyses of known substrates to develop predictive models, and molecular dynamics (MD) simulations to reveal the in situ behavior of substrates and products, with particular attention being paid to the influence of their ionization state. The results emphasize some crucial properties of the hCES1 catalytic cavity, confirming that as a trend with several exceptions, hCES1 prefers substrates with relatively smaller and somewhat polar alkyl/aryl groups and larger hydrophobic acyl moieties. The docking results underline the usefulness of the hydrophobic interaction score proposed here, which allows a robust prediction of hCES1 catalysis, while the MD simulations show the different behavior of substrates and products in the enzyme cavity, suggesting in particular that basic substrates interact with the enzyme in their unprotonated form.

Synchronous versus asynchronous modeling of gene regulatory networks.

MOTIVATION: In silico modeling of gene regulatory networks has gained some momentum recently due to increased interest in analyzing the dynamics of biological systems. This has been further facilitated by the increasing availability of experimental data on gene-gene, protein-protein and gene-protein interactions. The two dynamical properties that are often experimentally testable are perturbations and stable steady states. Although a lot of work has been done on the identification of steady states, not much work has been reported on in silico modeling of cellular differentiation processes. RESULTS: In this manuscript, we provide algorithms based on reduced ordered binary decision diagrams (ROBDDs) for Boolean modeling of gene regulatory networks. Algorithms for synchronous and asynchronous transition models have been proposed and their corresponding computational properties have been analyzed. These algorithms allow users to compute cyclic attractors of large networks that are currently not feasible using existing software. Hereby we provide a framework to analyze the effect of multiple gene perturbation protocols, and their effect on cell differentiation processes. These algorithms were validated on the T-helper model showing the correct steady state identification and Th1-Th2 cellular differentiation process. AVAILABILITY: The software binaries for Windows and Linux platforms can be downloaded from http://si2.epfl.ch/~garg/genysis.html.