Spectral solution for the air stripping pollutants removal dynamic model with non linear steady state conditions

This work deals with the numerical simulation of air stripping process for the pre-treatment of groundwater used in human consumption. The model established in steady state presents an exponential solution that is used, together with the Tau Method, to get a spectral approach of the solution of the system of partial differential equations associated to the model in transient state.

The Influence of Damping on Vibration Induced by High-Speed Trains

Passage of high-speed trains may induce high ground and track vibrations, which, besides increasing wheel, rail and track deterioration, may have a negative impact on the vehicle stability and on the passengers comfort. In this paper two distinct analyses are presented. The first one is dedicated to efficient decoupling of rail and soil vibrations by suggesting new interface materials in rail-sleeper fixing system, i.e. in the part where damping efficiency can be directly controlled and tested. The second analysis concerns with an adequate model of soils damping. Proper understanding and correct numerical simulation of this behaviour can help in suggesting soil improvement techniques.

Conceptual analogy for modelling entrapped air action in hydraulic systems

Hydraulic systems are dynamically susceptible in the presence of entrapped air pockets, leading to amplified transient reactions. In order to model the dynamic action of an entrapped air pocket in a confined system, a heuristic mathematical formulation based on a conceptual analogy to a mechanical spring-damper system is proposed. The formulation is based on the polytropic relationship of an ideal gas and includes an additional term, which encompasses the combined damping effects associated with the thermodynamic deviations from the theoretical transformation, as well as those arising from the transient vorticity developed in both fluid domains (air and water). These effects represent the key factors that account for flow energy dissipation and pressure damping. Model validation was completed via numerical simulation of experimental measurements.

Mathematical model for HIV dynamics in HIV-specific helper cells

In this paper we study a delay mathematical model for the dynamics of HIV in HIV-specific CD4 + T helper cells. We modify the model presented by Roy and Wodarz in 2012, where the HIV dynamics is studied, considering a single CD4 + T cell population. Non-specific helper cells are included as alternative target cell population, to account for macrophages and dendritic cells. In this paper, we include two types of delay: (1) a latent period between the time target cells are contacted by the virus particles and the time the virions enter the cells and; (2) virus production period for new virions to be produced within and released from the infected cells. We compute the reproduction number of the model, R0, and the local stability of the disease free equilibrium and of the endemic equilibrium. We find that for values of R0<1, the model approaches asymptotically the disease free equilibrium. For values of R0>1, the model approximates asymptotically the endemic equilibrium. We observe numerically the phenomenon of backward bifurcation for values of R0⪅1. This statement will be proved in future work. We also vary the values of the latent period and the production period of infected cells and free virus. We conclude that increasing these values translates in a decrease of the reproduction number. Thus, a good strategy to control the HIV virus should focus on drugs to prolong the latent period and/or slow down the virus production. These results suggest that the model is mathematically and epidemiologically well-posed.

Retificador trifásico controlado com fator de potência quase unitário

Dissertação de Mestrado para obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo Automação e Eletrónica Industrial

Retificador monofásico com fator de potência quase unitário

Dissertação para a obtenção do grau de Mestre em Engenharia Eletrotécnica Ramo de Automação e Eletrónica Industrial

Analysis of diffusion process in fractured reservoirs using fractional derivative approach

The fractal geometry is used to model of a naturally fractured reservoir and the concept of fractional derivative is applied to the diffusion equation to incorporate the history of fluid flow in naturally fractured reservoirs. The resulting fractally fractional diffusion (FFD) equation is solved analytically in the Laplace space for three outer boundary conditions. The analytical solutions are used to analyze the response of a naturally fractured reservoir considering the anomalous behavior of oil production. Several synthetic examples are provided to illustrate the methodology proposed in this work and to explain the diffusion process in fractally fractured systems.

Visible range plasmonic effect produced by aluminium nanoparticles embedded in amorphous silicon

We present results, obtained by means of an analytic study and a numerical simulation, about the resonant condition necessary to produce a Localized Surface Plasmonic Resonance (LSPR) effect at the surface of metal nanospheres embedded in an amorphous silicon matrix. The study is based on a Lorentz dispersive model for a-Si:H permittivity and a Drude model for the metals. Considering the absorption spectra of a-Si:H, the best choice for the metal nanoparticles appears to be aluminium, indium or magnesium. No difference has been observed when considering a-SiC:H. Finite-difference time-domain (FDTD) simulation of an Al nanosphere embedded into an amorphous silicon matrix shows an increased scattering radius and the presence of LSPR induced by the metal/semiconductor interaction under green light (560 nm) illumination. Further results include the effect of the nanoparticles shape (nano-ellipsoids) in controlling the wavelength suitable to produce LSPR. It has been shown that is possible to produce LSPR in the red part of the visible spectrum (the most critical for a-Si:H solar cells applications in terms of light absorption enhancement) with aluminium nano-ellipsoids. As an additional results we may conclude that the double Lorentz-Lorenz model for the optical functions of a-Si:H is numerically stable in 3D simulations and can be used safely in the FDTD algorithm. A further simulation study is directed to determine an optimal spatial distribution of Al nanoparticles, with variable shapes, capable to enhance light absorption in the red part of the visible spectrum, exploiting light trapping and plasmonic effects. © 2015 WILEY-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Ligação Adesiva de Polímeros Particularmente Difíceis de Colar

As ligações adesivas têm sido cada vez mais utilizadas nos últimos anos em detrimento de outros métodos tais como a soldadura, ligações aparafusadas e ligações rebitadas. Os plásticos de Engenharia têm um papel cada vez mais preponderante na indústria, devido às suas excelentes propriedades. Neste trabalho foram considerados três polímeros diferentes, o Policloreto de Vinilo (PVC) e o Polipropileno (PP) dado o seu baixo custo e peso e a superfície quimicamente inerte e o Politetrafluoretileno (PTFE) devido às suas boas propriedades químicas e excelentes propriedades de deslizamento. No entanto, estes materiais possuem uma baixa energia de superfície e, por isso, são muito difíceis de colar com mais relevância para o PTFE. Assim, após um estudo preliminar foi escolhido, para realizar as colagens necessárias, um adesivo da Tamarron Technology “Tam Tech Adhesive”, próprio para este tipo de substratos difíceis de colar. Posteriormente foi efetuada a sua caraterização através de ensaios de provetes maciços à tração. O principal objetivo deste trabalho foi estudar juntas de sobreposição simples de materiais poliméricos difíceis de colar tais como o PTFE, PP e PVC com recurso a um adesivo que não necessitasse de preparação de superfície. Foram fabricadas juntas de sobreposição simples (JSS) segundo os métodos Lap Shear (LS) e Block Shear (BS) dos três materiais referidos anteriormente e realizados os respetivos ensaios para avaliar o comportamento mecânico das ligações adesivas. Os materiais utilizados como substratos foram também submetidos a ensaios de tração com a finalidade de obter o módulo de elasticidade e as suas propriedades de resistência. Os substratos envolvidos nas juntas adesivas não sofreram qualquer preparação especial das superfícies. Na maioria dos casos consistiu apenas numa limpeza das superfícies com álcool etílico. Contudo, para o PTFE também se experimentou a preparação por abrasão com lixa e por chama. Foi também efetuado um trabalho de simulação numérica por elementos finitos utilizando um modelo de dano coesivo triangular. As resistências ao corte obtidas são superiores em BS comparativamente a LS, exceção feita aos substratos de PTFE aonde os resultados são similares. O tratamento por chama melhorou a resistência mecânica das juntas. Verificou-se também que o modelo numérico simulou adequadamente o comportamento das juntas principalmente das LS.

Modelação e reforço de vigas de betão armado com laminados de fibra de carbono

Com o atual estado da construção em Portugal, a reabilitação urbana é uma realidade. Com muitos dos edifícios a necessitarem de reforço, procurou-se abordar o comportamento real das estruturas, indo além da típica análise linear elástica. Desta forma, pretendeu-se aumentar o conhecimento acerca da modelação numérica não-linear de estruturas de betão armado, expondo modelos de cálculo relativamente simples e de fácil compreensão, com o objetivo de servir de base a uma avaliação da capacidade de carga de um elemento estrutural. O modelo de cálculo foi validado com recurso ao trabalho experimental de Bresler e Scordelis (1963). Analisou-se o comportamento até à rotura de três vigas ensaiadas à flexão. Posteriormente, foi realizado um estudo paramétrico de algumas propriedades do betão com vista à discussão do melhor de ajuste. Em seguida, já no campo do reforço estrutural, simulou-se numericamente vigas reforçadas com CFRP, com recurso à técnica EBR e NSM. Comparam-se os resultados numéricos com os ensaios experimentais de Cruz et al. (2011a). Avaliou-se ainda o desempenho de soluções alternativas com variações na área e comprimento dos laminados. Para finalizar, foi desenvolvida uma campanha experimental com diferentes áreas de reforço. Conceberam-se e executaram-se três vigas de betão armado sobre as quais se instalaram laminados de CFRP. Os resultados experimentais são apresentados e discutidos à luz dos resultados do respetivo modelo numérico. No cômputo geral, o presente trabalho permitiu aferir a validade de modelos não-lineares na previsão do comportamento efetivo das estruturas até à rotura. Assinala-se a concordância em vários resultados experimentais analisados. Ficaram também patentes os principais fenómenos ligados ao reforço de vigas com CFRP, focados nos respetivos modelos de cálculo e nos resultados experimentais apresentados.

Modelação numérica de uma caldeira doméstica a pellets

A biomassa é uma das fontes de energia renovável com maior potencial em Portugal, sendo a capacidade de produção de pellets de biomassa atualmente instalada superior a 1 milhão de toneladas/ano. Contudo, a maioria desta produção destina-se à exportação ou à utilização em centrais térmicas a biomassa, cujo crescimento tem sido significativo nos últimos anos, prevendo-se que a capacidade instalada em 2020 seja de aproximadamente 250 MW. O mercado português de caldeiras a pellets é bastante diversificado. O estudo que realizamos permitiu concluir que cerca de 90% das caldeiras existentes no mercado português têm potências inferiores a 60 kW, possuindo na sua maioria grelha fixa (81%), com sistema de ignição eléctrica (92%) e alimentação superior do biocombustível sólido (94%). O objetivo do presente trabalho foi o desenvolvimento de um modelo para simulação de uma caldeira a pellets de biomassa, que para além de permitir otimizar o projeto e operação deste tipo de equipamento, permitisse avaliar as inovações tecnológicas nesta área. Para tal recorreu-se o BiomassGasificationFoam, um código recentemente publicado, e escrito para utilização com o OpenFOAM, uma ferramenta computacional de acesso livre, que permite a simulação dos processos de pirólise, gasificação e combustão de biomassa. Este código, que foi inicialmente desenvolvido para descrever o processo de gasificação na análise termogravimétrica de biomassa, foi por nós adaptado para considerar as reações de combustão em fase gasosa dos gases libertados durante a pirólise da biomassa (recorrendo para tal ao solver reactingFoam), e ter a possibilidade de realizar a ignição da biomassa, o que foi conseguido através de uma adaptação do código de ignição do XiFoam. O esquema de ignição da biomassa não se revelou adequado, pois verificou-se que a combustão parava sempre que a ignição era inativada, independentemente do tempo que ela estivesse ativa. Como alternativa, usaram-se outros dois esquemas para a combustão da biomassa: uma corrente de ar quente, e uma resistência de aquecimento. Ambos os esquemas funcionaram, mas nunca foi possível fazer com que a combustão fosse autossustentável. A análise dos resultados obtidos permitiu concluir que a extensão das reações de pirólise e de gasificação, que são ambas endotérmicas, é muito pequena, pelo que a quantidade de gases libertados é igualmente muito pequena, não sendo suficiente para libertar a energia necessária à combustão completa da biomassa de uma maneira sustentável. Para tentar ultrapassar esta dificuldade foram testadas várias alternativas, , que incluíram o uso de diferentes composições de biomassa, diferentes cinéticas, calores de reação, parâmetros de transferência de calor, velocidades do ar de alimentação, esquemas de resolução numérica do sistema de equações diferenciais, e diferentes parâmetros dos esquemas de resolução utilizados. Todas estas tentativas se revelaram infrutíferas. Este estudo permitiu concluir que o solver BiomassGasificationFoam, que foi desenvolvido para descrever o processo de gasificação de biomassa em meio inerte, e em que a biomassa é aquecida através de calor fornecido pelas paredes do reator, aparentemente não é adequado à descrição do processo de combustão da biomassa, em que a combustão deve ser autossustentável, e em que as reações de combustão em fase gasosa são importantes. Assim, é necessário um estudo mais aprofundado que permita adaptar este código à simulação do processo de combustão de sólidos porosos em leito fixo.

Avaliação do desempenho de ligações tubulares em estruturas de veículos pesados de passageiros por simulação numérica

Nesta Dissertação ir-se-á avaliar o desempenho de algumas ligações existentes nos veículos pesados de passageiros, através do Regulamento Eurocódigo 3. Nos últimos anos ocorreram diversos acidentes envolvendo este tipos de veículos, em que os mesmos causaram vítimas mortais e feridos graves. Serão testadas por simulação numérica algumas ligações pertencentes a elementos constituintes da superestrutura, em que esta é normalmente afectada com a ocorrência de acidentes. Assim sendo, o estudo de nós de ligação tem uma importância fulcral para que uma superestrutura suporte situações extremas e que resista a solicitações externas aplicadas. Iniciou-se esta Dissertação com o estudo da sinistralidade e de acidentes que envolvem veículos pesados de passageiros. No capítulo 2 abordou-se um programa que promove simulações numéricas de acidentes e estudo do comportamento dos passageiros em caso de acidente, sendo referido o Regulamento que homologa os veículos pesados de passageiros e os seus principais métodos. Abordaram-se os principais constituintes da estrutura de um veículo pesado de passageiros. No capítulo 3, é referido o Eurocódigo 3 em termos do estudo das ligações tubulares usadas neste tipo de veículos. No capítulo 4, fez-se o estudo e selecção de elementos a utilizar para a simulação numérica de casos preconizados pelo Eurocódigo 3 e estudaram-se três tipos de ligações que são usadas na construção da superestrutura deste tipo de veículos, tendo-se retirado conclusões deste estudo.

Nonlinear dynamics of the patient’s response to drug effect during general anesthesia

In today’s healthcare paradigm, optimal sedation during anesthesia plays an important role both in patient welfare and in the socio-economic context. For the closed-loop control of general anesthesia, two drugs have proven to have stable, rapid onset times: propofol and remifentanil. These drugs are related to their effect in the bispectral index, a measure of EEG signal. In this paper wavelet time–frequency analysis is used to extract useful information from the clinical signals, since they are time-varying and mark important changes in patient’s response to drug dose. Model based predictive control algorithms are employed to regulate the depth of sedation by manipulating these two drugs. The results of identification from real data and the simulation of the closed loop control performance suggest that the proposed approach can bring an improvement of 9% in overall robustness and may be suitable for clinical practice.

Fractional Order Junctions

Gottfried Leibniz generalized the derivation and integration, extending the operators from integer up to real, or even complex, orders. It is presently recognized that the resulting models capture long term memory effects difficult to describe by classical tools. Leon Chua generalized the set of lumped electrical elements that provide the building blocks in mathematical models. His proposal of the memristor and of higher order elements broadened the scope of variables and relationships embedded in the development of models. This paper follows the two directions and proposes a new logical step, by generalizing the concept of junction. Classical junctions interconnect system elements using simple algebraic restrictions. Nevertheless, this simplistic approach may be misleading in the presence of unexpected dynamical phenomena and requires including additional “parasitic” elements. The novel γ-junction includes, as special cases, the standard series and parallel connections and allows a new degree of freedom when building models. The proposal motivates the search for experimental and real world manifestations of the abstract conjectures.