Control of Limit Cycle Oscillation in a Three Degrees of Freedom Airfoil Section Using Fuzzy Takagi-Sugeno Modeling

This work presents a strategy to control nonlinear responses of aeroelastic systems with control surface freeplay. The proposed methodology is developed for the three degrees of freedom typical section airfoil considering aerodynamic forces from Theodorsen's theory. The mathematical model is written in the state space representation using rational function approximation to write the aerodynamic forces in time domain. The control system is designed using the fuzzy Takagi-Sugeno modeling to compute a feedback control gain. It useds Lyapunov's stability function and linear matrix inequalities (LMIs) to solve a convex optimization problem. Time simulations with different initial conditions are performed using a modified Runge-Kutta algorithm to compare the system with and without control forces. It is shown that this approach can compute linear control gain able to stabilize aeroelastic systems with discontinuous nonlinearities.

Numerical solution of the FENE-CR model in complex flows

Fundação de Amparo à Pesquisa do Estado de São Paulo (FAPESP)

Análise dinâmica de mecanismo articulado de suspensão com não-linearidade na rigidez devido à geometria e à excitação por desbalanceamento rotativo na condição não ideal

Pós-graduação em Engenharia Mecânica - FEB

Modelagem matemática de tumores e estequiometria biológica

Cancer biology is a complex and expanding field of science study. Due its complexity, there is a strong motivation to integrate many fields of knowledge to study cancer biology, and biological stoichiometry can make this. Biological stoichiometry is the study of the balance of multiple chemical elements in biological systems. A key idea in biological stoichiometry is the growth rate hypothesis, which states that variation in the carbon:nitrogen:phosphorus stoichiometry of living things is associated with growth rate because of the elevated demands for phosphorusrich ribosomal RNA and other elements necessary to protein synthesis. As tumor cells has high rate proliferation, the growth rate hypothesis can be used in cancer study. In this work the dynamic of two tumors (primary and secondary) and the chemical elements carbon and nitrogen are simulate and analyzed through mathematical models that utilize as central idea biological stoichiometry. Differential equations from mathematical model are solved by numerical method Runge-Kutta fourth order

Representation of transmission lines: comparison of models and parameters distributed discrete parameters

A transmission line is characterized by the fact that its parameters are distributed along its length. This fact makes the voltages and currents along the line to behave like waves and these are described by differential equations. In general, the differential equations mentioned are difficult to solve in the time domain, due to the convolution integral, but in the frequency domain these equations become simpler and their solutions are known. The transmission line can be represented by a cascade of π circuits. This model has the advantage of being developed directly in the time domain, but there is a need to apply numerical integration methods. In this work a comparison of the model that considers the fact that the parameters are distributed (Universal Line Model) and the fact that the parameters considered concentrated along the line (π circuit model) using the trapezoidal integration method, and Simpson's rule Runge-Kutta in a single-phase transmission line length of 100 km subjected to an operation power. © 2003-2012 IEEE.

Métodos numéricos para equações diferencias ordinárias

Pós-graduação em Matemática Universitária - IGCE

Estudos de técnicas de reinicialização em métodos level-set e suas aplicações em escoamentos bifásicos

Coordenação de Aperfeiçoamento de Pessoal de Nível Superior (CAPES)

Fiber architecture in remodeled myocardium revealed with a quantitative diffusion CMR tractography framework and histological validation

Background: The study of myofiber reorganization in the remote zone after myocardial infarction has been performed in 2D. Microstructural reorganization in remodeled hearts, however, can only be fully appreciated by considering myofibers as continuous 3D entities. The aim of this study was therefore to develop a technique for quantitative 3D diffusion CMR tractography of the heart, and to apply this method to quantify fiber architecture in the remote zone of remodeled hearts. Methods: Diffusion Tensor CMR of normal human, sheep, and rat hearts, as well as infarcted sheep hearts was performed ex vivo. Fiber tracts were generated with a fourth-order Runge-Kutta integration technique and classified statistically by the median, mean, maximum, or minimum helix angle (HA) along the tract. An index of tract coherence was derived from the relationship between these HA statistics. Histological validation was performed using phase-contrast microscopy. Results: In normal hearts, the subendocardial and subepicardial myofibers had a positive and negative HA, respectively, forming a symmetric distribution around the midmyocardium. However, in the remote zone of the infarcted hearts, a significant positive shift in HA was observed. The ratio between negative and positive HA variance was reduced from 0.96 +/- 0.16 in normal hearts to 0.22 +/- 0.08 in the remote zone of the remodeled hearts (p<0.05). This was confirmed histologically by the reduction of HA in the subepicardium from -52.03 degrees +/- 2.94 degrees in normal hearts to -37.48 degrees +/- 4.05 degrees in the remote zone of the remodeled hearts (p < 0.05). Conclusions: A significant reorganization of the 3D fiber continuum is observed in the remote zone of remodeled hearts. The positive (rightward) shift in HA in the remote zone is greatest in the subepicardium, but involves all layers of the myocardium. Tractography-based quantification, performed here for the first time in remodeled hearts, may provide a framework for assessing regional changes in the left ventricle following infarction.

Influence of Goertler vortices spanwise wavelength on heat transfer rates

The boundary layer over concave surfaces can be unstable due to centrifugal forces, giving rise to Goertler vortices. These vortices create two regions in the spanwise direction—the upwash and downwash regions. The downwash region is responsible for compressing the boundary layer toward the wall, increasing the heat transfer rate. The upwash region does the opposite. In the nonlinear development of the Goertler vortices, it can be observed that the upwash region becomes narrow and the spanwise–average heat transfer rate is higher than that for a Blasius boundary layer. This paper analyzes the influence of the spanwise wavelength of the Goertler the heat transfer. The equation is written in vorticity-velocity formulation. The time integration is done via a classical fourth-order Runge-Kutta method. The spatial derivatives are calculated using high-order compact finite difference and spectral methods. Three different wavelengths are analyzed. The results show that steady Goertler flow can increase the heat transfer rates to values close to the values of turbulence, without the existence of a secondary instability. The geometry (and computation domain) are presented

Mechanical Alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant – A mathematical model.

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully understood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholine (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle ¯bers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, incorporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experimental results observed with in vitro exposure of smooth muscle to FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells in a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

Mechanical alterations in airway smooth muscle after interaction with indoor pollutant - A mathematical model

The viscoelasticity of mammalian lung is determined by the mechanical properties and structural regulation of the airway smooth muscle (ASM). The exposure to polluted air may deteriorate these properties with harmful consequences to individual health. Formaldehyde (FA) is an important indoor pollutant found among volatile organic compounds. This pollutant permeates through the smooth muscle tissue forming covalent bonds between proteins in the extracellular matrix and intracellular protein structure changing mechanical properties of ASM and inducing asthma symptoms, such as airway hyperresponsiveness, even at low concentrations. In the experimental scenario, the mechanical effect of FA is the stiffening of the tissue, but the mechanism behind this effect is not fully w1derstood. Thus, the aim of this study is to reproduce the mechanical behavior of the ASM, such as contraction and stretching, under FA action or not. For this, it was created a two-dimensional viscoelastic network model based on Voronoi tessellation solved using Runge-Kutta method of fourth order. The equilibrium configuration was reached when the forces in different parts of the network were equal. This model simulates the mechanical behavior of ASM through of a network of dashpots and springs. This dashpot-spring mechanical coupling mimics the composition of the actomyosin machinery of ASM through the contraction of springs to a minimum length. We hypothesized that formation of covalent bonds, due to the FA action, can be represented in the model by a simple change in the elastic constant of the springs, while the action of methacholinc (MCh) reduce the equilibrium length of the spring. A sigmoid curve of tension as a function of MCh doses was obtained, showing increased tension when the muscle strip was exposed to FA. Our simulations suggest that FA, at a concentration of 0.1 ppm, can affect the elastic properties of the smooth muscle fibers by a factor of 120%. We also analyze the dynamic mechanical properties, observing the viscous and elastic behavior of the network. Finally, the proposed model, although simple, ir1corporates the phenomenology of both MCh and FA and reproduces experirnental results observed with ir1 vitro exposure of smooth muscle to .FA. Thus, this new mechanical approach incorporates several well know features of the contractile system of the cells ir1 a tissue level model. The model can also be used in different biological scales.

Dinamica sedimentaria torbiditica in bacini confinati: margine orientale della Sardegna

La sedimentazione clastica di mare profondo è attualmente uno dei principali argomenti della ricerca sedimentologica sia in ambito puramente accademico che in ambito petrolifero-industriale. Gli studi recenti hanno enfatizzato l'influenza fondamentale della topografia preesistente del fondo marino sulla crescita e la morfologia sui fan di mare profondo; si è visto come, in molti systemi torbiditici, l’evoluzione dei processi deposizionali sia stata da moderatamente a fortemente controllata dall’ effetto di confinamento di scarpate tettoniche, ridge strutturali e seamounts. Scopo di questo lavoro è studiare l'effetto del confinamento alla scala di bacino sui principali sistemi torbiditici del margine orientale della Sardegna che rappresenta un margine passivo articolato di bacini di intraslope confinati verso mare da seamounts. Lo studio dei sistemi deposizionali è stato eseguito attraverso l'interpretazione di dati di batimetria multibeam ad alto dettaglio acquisiti dall’ISMAR di Bologna durante la crociera Tir99. L’ interpretazione multibeam è stata integrata con l’ analisi di profili sismici a riflessione per comprendere la morfologia l’organizzazione interna e l’evoluzione nel tempo dei principali elementi deposizionali dei sistemi torbiditici. Tre bacini di intraslope (Olbia, Baronie e il settore settentrionale del bacino Ogliastra) sono stati investigati. Il bacino di Olbia è il bacino più settentrionale del margine orientale della Sardegna ed è limitato verso mare dai seamount Etruschi e Baronie. Il principale sistema torbiditico del bacino di Olbia è costituito dal Caprera, articolato in un sistema di canyon alimentatori nella piattaforma e nella scarpata continentale e da un ampio canale con argini alla base della scarpata. Il Caprera è fiancheggiato da un ampia piattaforma continentale, e questa, fungendo da “magazzino” per il materiale piu grossolando, può spiegare la peculiare architettura sedimentaria del suo fan. L'effetto di confinamento del bacino sulla forma e sull'evoluzione del fan del Caprera è evidente soprattutto sull'asimmetria dei leve e su fenomeni di avulsione che hanno coinvolto il canale. Il bacino di intraslope di Olbia appare completamente riempito, e, nel bordo orientale, è presente il canyon di intrabacino verso il bacino sottostante. Gli effetti dell'abbassamento del livello di base sono visibili nel settore distale del sistema, dove si ha lo sviluppo di canali distributari e di valli erosive a basso rilievo, che rappresentano le porzioni "upslope" dei canyon di "bypass". Il bacino di intraslope del Baronie è il bacino centrale del margine, confinato verso mare dal seamount delle Baronie, e presenta una via di fuga laterale rappresentato dal sistema di canyon di Gonone-Orosei. Il Posada è il sistema torbiditico principale, consiste di un canyon profondamente inciso nella piattaforma e nella scarpata, e sviluppa alla base della scarpata un piccolo fa radiale. La morfologia del è il risultato dell'interazione complessa tra la geoemtria del bacino ricevente ed il comportamento dei flussi sedimentari. La forma del bacino ha costretto il sistema torbiditico a cambiare la direzione di sviluppo, da est verso sud. Processi di framanento in massa a grande scala hanno inoltre contribuito alla riorganizzazione del sistema torbiditico. Il bacino dell’Ogliastra è localizzato nel settore meridionale del margine, limitato verso mare dal seamount Quirra. Il settore settentrionale della scarpata continentale del bacino Ogliastra è caratterizzato da canyon e incisioni di carattere ibrido, con tratti deposizionali ed erosivi. L'Arbatax è il principale sistema torbiditico del bacino di Ogliastra caratterizzato da un settore meridionale dominato da un canale alimentatore e da un settore settentrionale abbandonato, caratterizzato da fenomeni di smantellamento e instabilità gravitativa. In generale i risultati dello studio evidenziano l'importanza della combinazione dei fattori di controllo esterni, e della topografia preesistente, nello sviluppo dei processi sedimentari e degli elementi deposizionali dei sistemi torbiditici. In particolare, appare evidente come lo stile deposizionale dei sistemi torbiditici in ambiente confinato diverga sostanzialmente da quello previsto dai modelli di fan sottomarini usati come strumenti predittivi nella esplorazione e sfruttamento dei giacimenti di idrocarburi.

Processo biotecnologico a cellule immobilizzate per la produzione di acidi grassi volatili da acque di vegetazione

Le acque di vegetazione (AV) costituiscono un serio problema di carattere ambientale, sia a causa della loro elevata produzione sia per l’ elevato contenuto di COD che oscilla fra 50 e 150 g/l. Le AV sono considerate un refluo a tasso inquinante fra i più elevati nell’ambito dell’industria agroalimentare e la loro tossicità è determinata in massima parte dalla componente fenolica. Il presente lavoro si propone di studiare e ottimizzare un processo non solo di smaltimento di tale refluo ma anche di una sua valorizzazione, utlizzandolo come materia prima per la produzione di acidi grassi e quindi di PHA, polimeri biodegradabili utilizzabili in varie applicazioni. A tale scopo sono stati utilizzati due bioreattori anaerobici a biomassa adesa, di identica configurazione, con cui si sono condotti due esperimenti in continuo a diverse temperature e carichi organici al fine di studiare l’influenza di tali parametri sul processo. Il primo esperimento è stato condotto a 35°C e carico organico pari a 12,39 g/Ld, il secondo a 25°C e carico organico pari a 8,40 g/Ld. Si è scelto di allestire e mettere in opera un processo a cellule immobilizzate in quanto questa tecnologia si è rivelata vantaggiosa nel trattamento continuo di reflui ad alto contenuto di COD e carichi variabili. Inoltre si è scelto di lavorare in continuo poiché tale condizione, per debiti tempi di ritenzione idraulica, consente di minimizzare la metanogenesi, mediata da microrganismi con basse velocità specifiche di crescita. Per costituire il letto fisso dei due reattori si sono utilizzati due diversi tipi di supporto, in modo da poter studiare anche l’influenza di tale parametro, in particolare si è fatto uso di carbone attivo granulare (GAC) e filtri ceramici Vukopor S10 (VS). Confrontando i risultati si è visto che la massima quantità di VFA prodotta nell’ambito del presente studio si ha nel VS mantenuto a 25°C: in tale condizione si arriva infatti ad un valore di VFA prodotti pari a 524,668 mgCOD/L. Inoltre l’effluente in uscita risulta più concentrato in termini di VFA rispetto a quello in entrata: nell’alimentazione la percentuale di materiale organico presente sottoforma di acidi grassi volatili era del 54 % e tale percentuale, in uscita dai reattori, ha raggiunto il 59 %. Il VS25 rappresenta anche la condizione in cui il COD degradato si è trasformato in percentuale minore a metano (2,35 %) e questo a prova del fatto che l’acidogenesi ha prevalso sulla metanogenesi. Anche nella condizione più favorevole alla produzione di VFA però, si è riusciti ad ottenere una loro concentrazione in uscita (3,43 g/L) inferiore rispetto a quella di tentativo (8,5 g/L di VFA) per il processo di produzione di PHA, sviluppato da un gruppo di ricerca dell’università “La Sapienza” di Roma, relativa ad un medium sintetico. Si può constatare che la modesta produzione di VFA non è dovuta all’eccessiva degradazione del COD, essendo questa nel VS25 appena pari al 6,23%, ma piuttosto è dovuta a una scarsa concentrazione di VFA in uscita. Questo è di buon auspicio nell’ottica di ottimizzare il processo migliorandone le prestazioni, poiché è possibile aumentare tale concentrazione aumentando la conversione di COD in VFA che nel VS25 è pari a solo 5,87%. Per aumentare tale valore si può agire su vari parametri, quali la temperatura e il carico organico. Si è visto che il processo di acidogenesi è favorito, per il VS, per basse temperature e alti carichi organici. Per quanto riguarda il reattore impaccato con carbone attivo la produzione di VFA è molto ridotta per tutti i valori di temperatura e carichi organici utilizzati. Si può quindi pensare a un’applicazione diversa di tale tipo di reattore, ad esempio per la produzione di metano e quindi di energia.

Analisi e valutazione delle performance acustiche degli aeromobili nella fase di atterraggio

Nella tesi si analizzano le principali fonti del rumore aeronautico, lo stato dell'arte dal punto di vista normativo, tecnologico e procedurale. Si analizza lo stato dell'arte anche riguardo alla classificazione degli aeromobili, proponendo un nuovo indice prestazionale in alternativa a quello indicato dalla metodologia di certificazione (AC36-ICAO) Allo scopo di diminuire l'impatto acustico degli aeromobili in fase di atterraggio, si analizzano col programma INM i benefici di procedure CDA a 3° rispetto alle procedure tradizionali e, di seguito di procedure CDA ad angoli maggiori in termini di riduzione di lunghezza e di area delle isofoniche SEL85, SEL80 e SEL75.

Modellazione numerica del comportamento di una struttura in muratura

In questi ultimi anni il tema della sicurezza sismica degli edifici storici in muratura ha assunto particolare rilievo in quanto a partire soprattutto dall’ordinanza 3274 del 2003, emanata in seguito al sisma che colpì il Molise nel 2002, la normativa ha imposto un monitoraggio ed una classificazione degli edifici storici sotto tutela per quanto riguarda la vulnerabilità sismica (nel 2008, quest’anno, scade il termine per attuare quest’opera di classificazione). Si è posto per questo in modo più urgente il problema dello studio del comportamento degli edifici storici (non solo quelli che costituiscono monumento, ma anche e soprattutto quelli minori) e della loro sicurezza. Le Linee Guida di applicazione dell’Ordinanza 3274 nascono con l’intento di fornire strumenti e metodologie semplici ed efficaci per affrontare questo studio nei tempi previsti. Il problema si pone in modo particolare per le chiese, presenti in grande quantità sul territorio italiano e di cui costituiscono gran parte del patrimonio culturale; questi edifici, composti di solito da grandi elementi murari, non presentano comportamento scatolare, mancando orizzontamenti, elementi di collegamento efficace e muri di spina interni e sono particolarmente vulnerabili ad azioni sismiche; presentano inoltre un comportamento strutturale a sollecitazioni orizzontali che non può essere colto con un approccio globale basato, ad esempio, su un’analisi modale lineare: non ci sono modi di vibrare che coinvolgano una sufficiente parte di massa della struttura; si hanno valori dei coefficienti di partecipazione dei varii modi di vibrare minori del 10% (in generale molto più bassi). Per questo motivo l’esperienza e l’osservazione di casi reali suggeriscono un approccio di studio degli edifici storici sacri in muratura attraverso l’analisi della sicurezza sismica dei cosiddetti “macroelementi” in cui si può suddividere un edificio murario, i quali sono elementi che presentano un comportamento strutturale autonomo. Questo lavoro si inserisce in uno studio più ampio iniziato con una tesi di laurea dal titolo “Analisi Limite di Strutture in Muratura. Teoria e Applicazione all'Arco Trionfale” (M. Temprati), che ha studiato il comportamento dell’arco trionfale della chiesa collegiata di Santa Maria del Borgo a San Nicandro Garganico (FG). Suddividere un edificio in muratura in più elementi è il metodo proposto nelle Linee Guida, di cui si parla nel primo capitolo del presente lavoro: la vulnerabilità delle strutture può essere studiata tramite il moltiplicatore di collasso quale parametro in grado di esprimere il livello di sicurezza sismica. Nel secondo capitolo si illustra il calcolo degli indici di vulnerabilità e delle accelerazioni di danno per la chiesa di Santa Maria del Borgo, attraverso la compilazione delle schede dette “di II livello”, secondo quanto indicato nelle Linee Guida. Nel terzo capitolo viene riportato il calcolo del moltiplicatore di collasso a ribaltamento della facciata della chiesa. Su questo elemento si è incentrata l’attenzione nel presente lavoro. A causa della complessità dello schema strutturale della facciata connessa ad altri elementi dell’edificio, si è fatto uso del codice di calcolo agli elementi finiti ABAQUS. Della modellazione del materiale e del settaggio dei parametri del software si è discusso nel quarto capitolo. Nel quinto capitolo si illustra l’analisi condotta tramite ABAQUS sullo stesso schema della facciata utilizzato per il calcolo manuale nel capitolo tre: l’utilizzo combinato dell’analisi cinematica e del metodo agli elementi finiti permette per esempi semplici di convalidare i risultati ottenibili con un’analisi non-lineare agli elementi finiti e di estenderne la validità a schemi più completi e più complessi. Nel sesto capitolo infatti si riportano i risultati delle analisi condotte con ABAQUS su schemi strutturali in cui si considerano anche gli elementi connessi alla facciata. Si riesce in questo modo ad individuare con chiarezza il meccanismo di collasso di più facile attivazione per la facciata e a trarre importanti informazioni sul comportamento strutturale delle varie parti, anche in vista di un intervento di ristrutturazione e miglioramento sismico.